Fizikçiler Tek Bir Molekülü Küçük Parçacık Çarpıştırıcısı Olarak Kullanıyor

Bu çarpıştırıcılar genellikle çekirdeklerin sırlarını araştırmak için elektronları çok yüksek hızlara çıkaran, bazıları kilometrelerce uzunluğa ulaşan büyük tesisler gerektirir.

Yeni bir çalışmada, araştırmacılar daha basit ve çok daha küçük ölçekli bir alternatif önermektedir. Onlar, tüm bu karmaşaya gerek kalmadan çekirdeklerin içinden veri topladılar ve bunun yerine, bir atomun kendi elektronlarını diatomik bir molekül içinde “haberci” olarak kullandılar.

Bunu, bir radyum atomunu bir florür atomuyla eşleştirerek, bir radyum monofluorür molekülü oluşturarak yaptılar. Molekül içi ortamın özelliklerinden yararlanarak, radyum atomunun elektronlarının çekirdeğine kısa süreliğine sızdığı bir tür mikroskobik çarpıştırıcı oluşturdular.

Bu, araştırmacıların molekül içindeki elektronların enerjilerini hassas bir şekilde izlemelerini sağladı ve bu da ince bir enerji kayması ortaya çıkardı. Elektronlar, radyum çekirdeğine kısa süreliğine girerek içeriğiyle etkileşime giriyordu.

Bu, çekirdeğin manyetik dağılımını veya proton ve nötronların düzeninin manyetik özelliklerini nasıl etkilediğini ölçmek için yeni bir yol olabilir.

Araştırmacılar, yeni çalışmanın ilk adım olduğunu belirtiyorlar, ancak bu tekniği radyum çekirdeğine yeni bir ışık tutmak için kullanmayı planlıyorlar. Bu tür bir içgörü, evrenin neden antimaddelerden çok daha fazla madde içerdiği gibi fizikteki önemli gizemleri çözmeye yardımcı olabilir.

MIT fizikçisi ve çalışmanın ortak yazarı Ronald Fernando Garcia Ruiz, “Sonuçlarımız, nükleer düzeyde temel simetrilerin ihlallerini ölçmeyi amaçlayan sonraki çalışmalar için zemin hazırlıyor” diyor. “Bu, modern fizikteki en acil sorulardan bazılarına cevap verebilir.”

Mevcut modeller, bebek evrenin yaklaşık olarak eşit miktarda madde ve antimadde içermiş olması gerektiğini öne sürüyor, ancak antimadde şüpheli bir şekilde nadir. Bunun yerine, bugün evrende çoğunlukla madde buluyoruz, bu da ikisi arasındaki beklenen simetrinin açık bir ihlali.

Bilim adamları, cevapların belirli atom çekirdeklerinde gizli olduğunu düşünüyorlar, bu çekirdeklerin iç kısımları antimadde karşıtlarının nadirliği hakkında ipuçları içerebilir.

Araştırmacılar, çekirdeğinin armut şeklinden dolayı radyumun başlıca aday olduğunu açıklıyor. Çoğu atom çekirdeği küreseldir; radyumun asimetrik yapısı, temel simetri ihlallerinin gözlemlenebilirliğini artırabilir.

Garcia Ruiz, “Radyum çekirdeğinin, yük ve kütle açısından asimetrik olması nedeniyle, bu simetri kırılmasının bir amplifikatörü olduğu tahmin ediliyor, ki bu oldukça sıra dışı bir durum” diyor.

Ancak bu hala çözülmesi zor bir sorun.

“Radyum doğal olarak radyoaktiftir, ömrü kısadır ve şu anda radyum monoflorür moleküllerini sadece çok küçük miktarlarda üretebiliyoruz,” diyor baş yazar ve fizikçi Shane Wilkins, eski MIT doktora sonrası araştırmacısı ve şu anda Michigan State Üniversitesi'nde görev yapıyor. “Bu nedenle, bunları ölçebilmek için inanılmaz derecede hassas tekniklere ihtiyacımız var.”

Anahtar, radyum atomunu, elektronlarının aktivitelerini içeren ve yoğunlaştıran bir moleküle gömmektir, diyor ortak yazar Silviu-Marian Udrescu, Johns Hopkins Üniversitesi'nde fizikçi ve MIT'de yüksek lisans öğrencisi olarak bu çalışmaya katkıda bulunmuştur.

Udrescu, “Bu radyoaktif atomu bir molekülün içine koyduğunuzda, elektronlarının maruz kaldığı iç elektrik alanı, laboratuvarda üretebileceğimiz ve uygulayabileceğimiz alanlara kıyasla çok daha büyüktür” diyor. “Bir bakıma, molekül dev bir parçacık çarpıştırıcısı gibi davranır ve radyumun çekirdeğini incelememiz için daha iyi bir fırsat sunar.”

Radyum monofluorür içinde, radyum atomunun elektronları, çekirdeğe girme olasılıklarını artıracak şekilde sınırlandırıldı. Araştırmacılar molekülleri sınırlandırıp soğuttuktan sonra, lazerler kullanarak içlerindeki elektronların enerjilerini ölçtüler.

Verilerdeki küçük ama önemli değişiklikler, çekirdeğin içindeki girişimlere işaret ediyordu.

Wilkins, “Çekirdekler ve çekirdek dışındaki elektronlar arasındaki etkileşimleri ölçen birçok deney var ve bu etkileşimlerin nasıl olduğunu biliyoruz” diyor.

“Bu elektron enerjilerini çok hassas bir şekilde ölçmeye çalıştığımızda, çekirdek dışında etkileşime girdiklerini varsayarak beklediğimiz sonuçları alamadık” diye ekliyor. “Bu da bize, farkın çekirdek içindeki elektron etkileşimlerinden kaynaklandığını gösterdi.”

Araştırmacılar, bu keşfin atom çekirdeklerini inceleme yeteneğimizi devrimsel bir şekilde değiştirebileceğini bildiriyor. Subatomik parçacıkların ne kadar inatçı ve anlaşılması zor olduğunu bilmemize rağmen, sırlarını kolayca açığa vurmazlar.

"Artık çekirdeğin içinde örnek alabileceğimizin kanıtı var. Bu, bir pilin elektrik alanını ölçebilmek gibi bir şey. İnsanlar bataryanın dışındaki alanı ölçebilir, ancak bataryanın içini ölçmek çok daha zordur. Ve şimdi bunu yapabiliyoruz," diyor Garcia Ruiz.

“Radyum içeren moleküllerin, doğanın temel simetrikliklerinin ihlallerini araştırmak için olağanüstü hassas sistemler olduğu tahmin ediliyor,” diye ekliyor. “Artık bu araştırmayı gerçekleştirebilecek bir yolumuz var.”

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.