أجرى جهاز جديد في مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية قياسات دقيقة للغاية لنواة الروثينيوم غير المستقرة. تعد هذه القياسات علامة بارزة في الفيزياء النووية لأنها تتطابق بشكل وثيق مع التنبؤات التي قدمتها النماذج النووية المتطورة.
وقال بيرنهارد ماس، الفيزيائي المساعد في أرجون والمؤلف الرئيسي للدراسة: "من الصعب جدًا على النماذج النظرية التنبؤ بخصائص النوى المعقدة وغير المستقرة". "لقد أثبتنا أن فئة من النماذج المتقدمة يمكنها القيام بذلك بدقة. نتائجنا تساعد في التحقق من صحة النماذج."
إن التحقق من صحة النماذج يمكن أن يبني الثقة في تنبؤاتها حول العمليات الفيزيائية الفلكية. وتشمل هذه تكوين وتطور وانفجارات النجوم حيث يتم إنشاء العناصر.
ونشرت الدراسة فيرسائل المراجعة البدنية.
الحاجة إلى التحقق من صحة النماذج النظرية
يقوم علماء الفيزياء النووية بتطوير نماذج نظرية أكثر تقدمًا للتنبؤ بدقة بخصائص النوى الذرية غير المستقرة ذات الهياكل والأشكال والقوى المعقدة. مثل هذه النماذج لديها القدرة على تعميق فهمنا للعمل الداخلي للنوى الذرية.
ومع ذلك، فمن الضروري إثبات دقة هذه النماذج قبل أن يمكن استخدامها لدفع حدود العلم. وهذا يتطلب المهمة الصعبة المتمثلة في جمع قياسات دقيقة وحقيقية- للنوى المعقدة ومقارنة القياسات بتنبؤات النماذج.
يعتبر الروثينيوم عنصرًا مثاليًا للتحقق من صحة النماذج النظرية المتقدمة. يحتوي هذا المعدن النادر على نظائر-ذرات لنفس العنصر بعدد مختلف من النيوترونات وثبات متفاوت-من المعروف أنها تحتوي على نوى ذات هياكل وأشكال معقدة. هناك سلسلة من نظائر الروثينيوم المشعة غير المستقرة والتي يعتقد أن لها شكل ثلاثي المحاور، يشبه اللوز أو حبة القهوة.
قياس خصائص الروثينيوم
استخدم فريق البحث جهاز Argonne Tandem Hall Laser Beamline للتحليل الطيفي الذري والأيوني (ATLANTIS) لقياس تسعة نظائر الروثينيوم المشعة. تم تثبيت هذا الجهاز الجديد في نظام Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS).
ATLAS هو مرفق تابع لوزارة الطاقة في أرجون مزود بمسرع خطي فائق التوصيل مصمم لدراسة خصائص النوى.
تمكن الباحثون من الوصول إلى نظائر الروثينيوم المشعة من أداة ATLAS أخرى، وهي ترقية مربي النظائر النادرة كاليفورنيوم (CARIBU). يمكن لـ CARIBU توصيل الروثينيوم المشع من خلال انشطار كمية صغيرة من الكاليفورنيوم-، وهو عنصر نادر وشديد الإشعاع.
وقال ماس: "إن نظائر الروثينيوم التي درسناها تدوم ثانية واحدة فقط قبل أن تتحلل إلى عناصر أخرى". "ينفذ أتلانتيس تقنية تسمى التحليل الطيفي بالليزر المتداخل. وهي تسمح لنا بجمع القياسات على كميات صغيرة جدًا من هذه النظائر في أقل من ثانية."
باستخدام ATLANTIS، وجه الباحثون شعاع ليزر على نفس المسار الذي يسلكه شعاع من ذرات الروثينيوم. عند ترددات ليزر معينة، تم إثارة الذرات وبدأت في التألق، مما يشير إلى انبعاث فوتونات ضوئية. حدد الفريق ترددات الليزر التي تصل عندها انبعاثات الفوتون إلى ذروتها. وتكررت هذه العملية مع نظائر الروثينيوم التسعة. بالنسبة لكل نظير، تحولت ذروة الانبعاث إلى تردد مختلف قليلاً.
وقال ماس: "يمكننا استخدام هذا التحول النظائري لاشتقاق الاختلافات في الأحجام النووية للنظائر".
قارن الفريق هذه التغييرات في الحجم مع التنبؤات الواردة من نماذج بروكسل -Skyrme-على نماذج -a-Grid (BSkG)، والتي تعد من بين النماذج الأكثر تقدمًا في العالم فيما يتعلق بالبنية النووية. وعلى عكس النماذج النووية التقليدية الأقدم، فإنها تفسر القوى والتفاعلات المحددة بين جميع النيوترونات والبروتونات الموجودة في النواة.
وقد وجد الباحثون توافقًا ممتازًا بين نتائجهم والتنبؤات من نماذج BSkG، مما يشير إلى قوة النماذج.
ومن الجدير بالذكر أنه في محاولة لتمكين القياسات الدقيقة، قام الفريق أيضًا بتطوير تقنية التحليل الطيفي بالليزر الخطي. وعلى وجه التحديد، قاموا بتطوير وتنفيذ تقنيات جديدة فعالة تعمل على تحييد الشعاع الذري و"تجميعه" في نبضات.
اكتشف أحدث ما توصلت إليه العلوم والتكنولوجيا والفضاء مع أكثر من ذلك100.000 مشتركالذين يعتمدون على Phys.org للحصول على رؤى يومية. اشترك في النشرة الإخبارية المجانية واحصل على تحديثات حول الاكتشافات والابتكارات والأبحاث المهمة-يوميا أو أسبوعيا.
يشترك
الآثار المترتبة على الفيزياء الفلكية
أظهرت الدراسة أن نماذج BSkG يمكنها التنبؤ بالنوى ثلاثية المحاور غير المستقرة بدقة ملحوظة. قد تساعد مثل هذه النماذج القوية علماء الفيزياء الفلكية في تسليط الضوء على كيفية عمل الكون.
وقال ماس: "يعلم علماء الفيزياء الفلكية أن النوى المشعة غير المستقرة تلعب دورًا مهمًا في تكوين النجوم والعناصر في الكون".
"لفهم كوننا بشكل أفضل، نحتاج إلى معرفة كيفية تركيب النوى وكيفية تفاعلها. نحن بحاجة إلى أن نكون قادرين على التنبؤ بخصائص النوى الغريبة التي لا يمكن إنتاجها في مسرعات الجسيمات الحديثة."
قام ثلاثة من مؤلفي الدراسة بتطوير نماذج BSkG: Wouter Ryssens وGuilherme Grams، وكلاهما من جامعة بروكسل الحرة في بلجيكا، ومايكل بندر من معهد الفيزياء 2 إنفينيس دي ليون في فرنسا.
بالإضافة إلى Maass وRyssens وGrams وBender، كانت تجارب وبناء ATLANTIS عبارة عن تعاون بين باحثين من Argonne (دانيال بورديت وجيسون كلارك وبيتر مولر ودانييل سانتياغو-غونزاليس وغاي سافارد وأدريان فالفيردي)، وجامعة دارمشتات التقنية في ألمانيا ومرفق حزم النظائر النادرة في جامعة ولاية ميشيغان.
ATLANTIS متاح للمؤسسات المتعاونة لإجراء قياسات التحليل الطيفي بالليزر على خط واحد لمجموعة متنوعة من الاحتياجات البحثية. لاستكشاف فرص التعاون، اتصل بـ Maass.
