هسته اتمی جدید کشف شد

گروهی از محققان شواهد مستقیمی از یک هسته اتمی جدید کشف کرده اند که آنچه را که ما از فیزیک هسته ای می فهمیم گسترش می دهد.

به گزارش تکناک،  این ایزوتوپ که نیتروژن-9 نام دارد، حاوی هفت پروتون و دو نوترون است و فقط یک میلیاردم نانوثانیه وجود دارد.

فیزیک کاملا جدید

نسبت ذرات زیراتمی که از آن به عنوان هسته زودگذر یاد می شود، آنقدر نامتوازن است که به همان سرعتی که شکل می گیرد از هم می پاشد. اگر بتوانیم بفهمیم که در مورد هسته‌های کوتاه‌مدت مانند نیتروژن-۹ چه اتفاقی می‌افتد، دانشمندان امیدوارند که بتوانیم درک فعلی خود از نظریه هسته‌ای را گسترش دهیم. حتی می تواند راه های جدیدی را برای مطالعه و درک مکانیک کوانتومی باز کند.

کیت جونز، فیزیکدان هسته ای در دانشگاه تنسی، به ساینس گفت: هم از نظر تجربی و هم از نظر تئوری، این فقط یک انعطاف است. الکساندر وولیا، یک فیزیکدان هسته ای نظری در دانشگاه ایالتی فلوریدا، افزود: نیتروژن-9 یک مثال ناتعارف از یک هسته نامقید است که برای جدا شدن انرژی نمی گیرد. او می گوید که چنین هسته هایی مرزهای تئوری را جابجا می کنند. این فیزیک کاملاً جدیدی است که باید مورد توجه قرار گیرد.

در حال حاضر، برای همه نظریه ها غیرممکن است که حضور، ساختار و عملکرد هسته های اتمی را به طور دقیق پیش بینی کند. پیچیدگی هسته ها آنقدر زیاد است که فقط ساده ترین آنها را می توان با مدل هایی توضیح داد که از پروتون‌ها و نوترون‌ها به‌عنوان پایه خود استفاده می کنند و نحوه تعامل آنها از طریق نیروی هسته‌ای قوی در نظر گرفته میشود. حتی در این موارد، هنگام توصیف هسته‌های سبک‌تر که تعداد پروتون‌ها از تعداد نوترون‌ها بسیار بیشتر است یا برعکس، مسائلی به وجود می‌آیند مانند وجود نیتروژن-9.

فیزیکدانان پشت این کشف هیجان انگیز از دانشگاه ایالتی میشیگان، نیتروژن-9 را از طریق یک فرآیند منحصر به فرد ایجاد کردند. آنها پرتوی از هسته های اکسیژن 13 را از طریق یک هدف بریلیوم به ضخامت 1 میلی متر شلیک کردند و هسته های اکسیژن را به قطعات تقسیم کردند. دانشمندان سپس باقی مانده های هسته ای را غربال کردند تا ببینند چه چیزی می توانند پیدا کنند. از آنجایی که نیتروژن-9 یک هسته معمولی نیست و خیلی سریع متلاشی می شود با استفاده از طیف سنج جرمی فیلتر نمی شود و روش جدیدی برای یافتن آن مورد نیاز بود.

بنابراین، کمی تفکر جانبی لازم بود. برای این منظور، رابرت چاریتی، دانشمند هسته ای از دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، و همکارانش این ذرات گریزان را با شناسایی ترکیبات حاصل از فروپاشی آنها شناسایی کردند. آنها با استفاده از یک آشکارساز که تکانه و انرژی تمام اجزا هسته‌ای هدف را اندازه‌گیری می‌کرد، به جستجوی رویدادهایی پرداختند که همان ترکیباتی را که از تجزیه نیتروژن 9 انتظار می‌رفت تولید می‌کردند. پنج پروتون و یک ذره آلفا (دو پروتون متصل به دو نوترون). با تجزیه و تحلیل حرکت و انرژی این ذرات، فیزیکدانان می توانند جرم هسته مادر خود را تعیین کنند که در این مورد نیتروژن-9 است.

اما چگونه می توانستند مطمئن شوند که کشف آنها فقط یک اتفاق نبوده است؟ خوب، همانطور که تیم توضیح داد، اگر پروتون‌ها و ذرات آلفا باقی مانده‌های تصادفی باشند، نمودار جرم مادر پس از بسیاری از رویدادها باید فاقد هرگونه ویژگی متمایز است. با این حال، اگر آن ذرات از نیتروژن-9 فروپاشی آمده باشند، نمودار یک اوج واضح در جرم نیتروژن-9 را نشان می دهد.

و این دقیقاً همان چیزی است که آنها دیدند. چاریتی و همکارانش این اوج را پس از شلیک 40 میلیارد هسته اکسیژن-13 از طریق هدف مشاهده کردند و تنها چند صد هسته نیتروژن-9 تولید کردند. این تکنیک به طور گسترده در فیزیک ذرات از جمله کشف بوزون هیگز استفاده شده است.

افق های جدید و جذاب

ولیا توضیح داد: هسته‌های نامقید مانند نیتروژن-9 در خط مقدم نظریه هسته‌ای قرار دارند. آنها نمونه ای از یک سیستم کوانتومی باز هستند که به شدت با محیط خود تعامل دارد، مانند سیستم های بیوشیمیایی و کامپیوترهای کوانتومی. ولیا معتقد است که دانش به دست آمده از مطالعه هسته های نامقید، مانند نیتروژن-9، ممکن است پیامدهای مهمی برای مکانیک کوانتومی و سایر زمینه های فیزیک داشته باشد.

این مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.