Στον αέρα που αναπνέουν οι άνθρωποι, το νερό στη Γη, τα αστέρια στον ουρανό και πολλά άλλα, τα άτομα είναι τα δομικά στοιχεία που συνθέτουν το σύμπαν. Η κατανόηση της δομής του ατομικού πυρήνα είναι ζωτικής σημασίας για την έρευνα με επιπτώσεις στην αστροφυσική και σε εφαρμογές όπως η ιατρική απεικόνιση και η αποθήκευση δεδομένων.
Μια νέα μελέτη που διεξήχθη από ερευνητές του Τμήματος Φυσικής χρησιμοποιώντας το Εργαστήριο Υπεραγώγιμων Γραμμικών Επιταχυντών John D. Fox στο State University της Φλόριντα εξέτασε πυρήνες τιτανίου-50 και έδειξε ότι μια μακροχρόνια εξήγηση για το από πού προέρχεται ο μαγνητισμός στους ατομικούς πυρήνες δεν λειτουργεί πλήρως για το τιτάνιο – 50. Η έρευνα, η οποία δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters, υποδηλώνει ότι οι επιστήμονες μπορεί να χρειαστεί να ξανασκεφτούν πώς εξηγούν τον πυρηνικό μαγνητισμό.
«Αυτό που προτείνουν τα τρέχοντα μοντέλα είναι ότι η μαγνητική ισχύς δημιουργείται σε μεγάλο βαθμό από τις διεγέρσεις spin-flip, που σημαίνει ότι όταν αναστρέφονται περιστροφές πρωτονίων ή νετρονίων από πάνω προς τα κάτω μεταξύ των λεγόμενων τροχιακών συνεργατών σπιν-τροχίας», δήλωσε ο αναπληρωτής καθηγητής Mark Spieker, συν-συγγραφέας στη μελέτη πολλών ιδρυμάτων. «Για πρώτη φορά, δείξαμε ότι αυτός ο τύπος spin-flip δεν μπορεί να είναι ο μόνος μηχανισμός που δημιουργεί πυρηνικό μαγνητισμό».
Πώς λειτουργεί
Τα τρέχοντα πυρηνικά μοντέλα αντιμετωπίζουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια ως μεμονωμένα σωματίδια που μπορούν να καταλάβουν σταθερά επίπεδα ενέργειας. Ένα spin-flip συμβαίνει όταν αυτά τα σωματίδια αλλάζουν τον προσανατολισμό της περιστροφής τους καθώς μεταπηδούν μεταξύ των επιπέδων, δημιουργώντας μαγνητική ισχύ στη διαδικασία. Για πολλά χρόνια, οι επιστήμονες πίστευαν ότι αυτός ο μηχανισμός spin-flip ήταν κυρίως υπεύθυνος για τις μαγνητικές δυνάμεις, ή τα σήματα, στους ατομικούς πυρήνες. Η προηγμένη μοντελοποίηση υπολογιστή προέβλεψε επίσης αυτή τη συμπεριφορά.
Τα πειράματα FSU έδειξαν κάτι απροσδόκητο: οι πυρηνικές διεγερμένες καταστάσεις που έδειχναν ξεκάθαρα αυτή τη δομή σπιν-αναστροφής νετρονίων δεν ήταν αυτές που παρήγαγαν τα ισχυρότερα μαγνητικά σήματα. Με άλλα λόγια, η ύπαρξη περισσότερων από αυτήν τη δομή νετρονίων «περιστροφής» δεν σήμαινε αυτόματα ισχυρότερο μαγνητικό αποτέλεσμα.
Τι έκαναν
Οι ερευνητές διεξήγαγαν ένα πείραμα μεταφοράς νετρονίων στο Εργαστήριο Υπεραγώγιμων Γραμμικών Επιταχυντών John D. Fox, χρησιμοποιώντας τον επιταχυντή Tandem Van de Graaff της εγκατάστασης για να κατευθύνει ένα δευτερόνιο – έναν πυρήνα από ένα πρωτόνιο και μια δέσμη νετρονίων – σε ένα λεπτό φύλλο τιτανίου-49. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, το νετρόνιο από τη δέσμη μεταφέρθηκε στο τιτάνιο-49, παράγοντας τιτάνιο-50 και αφήνοντας ένα υπολειμματικό πρωτόνιο.
Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν το Super-Enge Split-Pole Spectrograph στο Fox Lab για να μετρήσουν τις διαφορετικές γωνίες στις οποίες εκπέμπεται το πρωτόνιο στην αντίδραση, επιτρέποντάς τους να αναλύσουν πώς το νετρόνιο μεταφέρθηκε στο τιτάνιο-49.
«Θα μπορούσατε να πείτε ότι η δέσμη δευτερονίου χτυπά το τιτάνιο-49, μεταφέρει ένα νετρόνιο και σε αυτή τη διαδικασία το σηκώνει μια σειρά από σκάλες. Ανάλογα με τον πυρήνα, αυτό το σύνολο σκαλοπατιών φαίνεται πολύ διαφορετικό», είπε ο Spieker. “Με τον φασματογράφο, μπορούμε να μετρήσουμε πόσο ψηλά είναι τα διαφορετικά βήματα. Το πόσο ψηλά σηκώνουμε τις σκάλες εξαρτάται από την ενέργεια διέγερσης που δίνουμε στον πυρήνα.
Συνδύασαν τα αποτελέσματά τους με προηγούμενα δημοσιευμένα δεδομένα σκέδασης ηλεκτρονίων και πρωτονίων και με δεδομένα από νέα πειράματα σκέδασης φωτονίων που πραγματοποιήθηκαν σε συνεργαζόμενα πανεπιστήμια. Συνδυάζοντας όλες αυτές τις προσεγγίσεις, μπόρεσαν να εξετάσουν προσεκτικά τον τρόπο με τον οποίο τα νετρόνια αναστρέφουν το σπιν τους και πόσο αυτά τα ανατροπά συμβάλλουν στη συνολική μαγνητική συμπεριφορά του πυρήνα.
Οι ερευνητές είδαν ότι το μαγνητικό σήμα που παρατηρήθηκε στα πειράματά τους δεν ήταν της ίδιας ισχύος που προέβλεπαν τα μοντέλα – ένα σημάδι ότι κάτι άλλο πρέπει να συνεισφέρει στα μαγνητικά σήματα που μέτρησαν για το τιτάνιο-50.
«Χωρίς να συνδυάσουμε όλα αυτά τα σύνολα δεδομένων, η ιστορία δεν μπορεί να συνδυαστεί καθαρά», είπε ο Bryan Kelly, μεταπτυχιακός φοιτητής στο FSU και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Βλέποντας τις άλλες μαγνητικές διεγέρσεις στις οποίες είναι ευαίσθητοι οι άλλοι ανιχνευτές, μας επέτρεψε να καταλήξουμε στο συμπέρασμα ότι ο μηχανισμός spin-flip μεταξύ εταίρων περιστροφικής τροχιάς δεν είναι ο μοναδικός παράγοντας δημιουργίας μαγνητικής ισχύος.»
Γιατί έχει σημασία και μελλοντικές κατευθύνσεις
Τα αποτελέσματα της μελέτης αμφισβητούν μακροχρόνιες υποθέσεις σχετικά με τη μαγνητική συμπεριφορά των πυρήνων. Η βελτίωση της επιστημονικής κατανόησης της δομής των ατομικών πυρήνων θα βελτιώσει τα τρέχοντα μοντέλα που χρησιμοποιούνται στην πυρηνική φυσική και την αστροφυσική και θα συμβάλει στη σύνδεσή τους με μοντέλα που χρησιμοποιούνται στη φυσική υψηλής ενέργειας. Τέτοιες συνδυασμένες προσπάθειες μεταξύ διαφορετικών πεδίων της φυσικής οδηγούν σε μια καλύτερη κατανόηση των δομικών στοιχείων της συνηθισμένης ύλης που διαμορφώνουν το σύμπαν μας.
«Η ανάπτυξη μιας καλύτερης κατανόησης του σύμπαντος είναι συναρπαστική και συναρπαστική από μόνη της, και καθώς μαθαίνουμε περισσότερα, μπορούμε ενδεχομένως να εφαρμόσουμε αυτές τις νέες ιδέες σε κάθε είδους νέες ιδέες», είπε ο Spieker. «Όλη η συνηθισμένη ύλη αποτελείται από ατομικούς πυρήνες, επομένως όσο περισσότερο κατανοούμε αυτά τα «δομικά στοιχεία» της φύσης, τόσο περισσότερες δυνατότητες έχουμε για το τι μπορούμε να τις χρησιμοποιήσουμε για να ωφελήσουμε την κοινωνία και να προωθήσουμε την πρόοδο».
Σε μελλοντικές μελέτες, οι ερευνητές σχεδιάζουν να εξετάσουν τι οφείλεται στον ανεξήγητο μαγνητισμό στο τιτάνιο-50.
«Αυτή η έρευνα έδειξε ότι δεν μπορούμε να βασιστούμε μόνο σε μετρήσεις μαγνητικής ισχύος για να κατανοήσουμε τις διεγερμένες καταστάσεις των πυρήνων», είπε η Kelly. «Η μαγνητική ισχύς κατανέμεται σε πολλά πυρηνικά κράτη και η κατανόηση του γιατί θα απαιτήσει περαιτέρω έρευνες για τον πυρήνα».
Ευχαριστίες
Ερευνητές από το State University της Φλόριντα, το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Darmstadt στη Γερμανία και το Triangle Universities Nuclear Laboratory στη Βόρεια Καρολίνα στο Πανεπιστήμιο Duke συνέβαλαν σε αυτή τη μελέτη.
Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ, το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, το Γερμανικό Ίδρυμα Ερευνών, το Ινστιτούτο Ατομικής Φυσικής στη Ρουμανία, το Υπουργείο Έρευνας της Ρουμανίας και τη ρουμανική κυβέρνηση.
