Για δεκαετίες, οι πυρηνικοί φυσικοί βρίσκονταν αντιμέτωποι με ένα αναπάντητο ερώτημα: Γιατί ορισμένοι ατομικοί πυρήνες εκλύουν πολύ περισσότερες ακτίνες γάμμα χαμηλής ενέργειας από το αναμενόμενο;
Η μελέτη με επικεφαλής τις Εγκαταστάσεις Δεσμών Σπάνιων Ισοτόπων (FRIB), με τη συμβολή επιστημόνων από το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore (LLNL), ίσως δίνει επιτέλους την απάντηση.
Η έρευνα, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, προσφέρει μια νέα ματιά στον εσωτερικό μηχανισμό των ατομικών πυρήνων και θα μπορούσε να έχει σημαντικές προεκτάσεις για την αστροφυσική, την πυρηνική ενέργεια, την εθνική ασφάλεια και την πυρηνική εγκληματολογία (nuclear forensics).
Ένα μυστήριο ακτίνων Γάμμα που κρατάει εδώ και δεκαετίες
Οι ακτίνες γάμμα αποτελούν μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, ακριβώς όπως το ορατό φως και τα ραδιοκύματα, αλλά φέρουν πολύ περισσότερη ενέργεια. Όταν ένας ατομικός πυρήνας βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση, μπορεί να εκλύσει ακτίνες γάμμα καθώς αποδιεγείρεται σε μια χαμηλότερη και πιο σταθερή ενεργειακή κατάσταση. Εδώ και χρόνια, οι επιστήμονες παρατηρούσαν ότι ορισμένοι πυρήνες παράγουν έναν απροσδόκητα μεγάλο αριθμό ακτίνων γάμμα χαμηλής ενέργειας. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως «ενίσχυση χαμηλής ενέργειας(low-energy enhancement)» , ήταν δύσκολο να εξηγηθεί.
Δεν εμφανίζεται σε κάθε πυρήνα και οι ερευνητές δεν είχαν κανέναν αξιόπιστο τρόπο να προβλέψουν πού θα εκδηλωθεί. «Αυτή η ενίσχυση χαμηλής ενέργειας δεν είχε προβλεφθεί από τη θεωρία, επομένως ήταν ένα είδος σοκ για την επιστημονική κοινότητα όταν παρατηρήθηκε για πρώτη φορά», δήλωσε η Eleanor Ronning, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης και πρώην μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο FRIB. «Είναι δύσκολο να προβλέψουμε πού εμφανίζεται — δεν γνωρίζουμε ποιοι πυρήνες θα την παρουσιάσουν».
Τα νέα ευρήματα παρέχουν ισχυρές αποδείξεις ότι το φαινόμενο προκαλείται από μαγνητικές μεταπτώσεις στο εσωτερικό του πυρήνα. «Αυτό είναι ένα βασικό βήμα προς τα εμπρός», δήλωσε η Andrea Richard, συνεπικεφαλής της μελέτης, πρώην μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο LLNL και νυν επίκουρη καθηγήτρια στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο. «Πλέον έχουμε μια συνεκτική εξήγηση που συνδέει τις πειραματικές παρατηρήσεις με τη θεωρία».
Διαχωρίζοντας την ηλεκτρική από τη μαγνητική διάσπαση
Για να διερευνήσουν το μυστήριο, οι ερευνητές μέτρησαν τις ακτίνες γάμμα που παρήχθησαν όταν ένα ραδιενεργό ισότοπο του χαλκού διασπάστηκε σε ψευδάργυρο. Χρησιμοποιώντας τα εξειδικευμένα όργανα και τις πειραματικές δυνατότητες του FRIB, η ομάδα κατάφερε να διαχωρίσει δύο διαφορετικούς τύπους πυρηνικής διάσπασης.
Στην πρώτη περίπτωση, η διάσπαση περιλάμβανε μια ηλεκτρική μετάπτωση. Καθώς ο πυρήνας του χαλκού άλλαζε, τα πρωτόνιά του μετατόπιζαν τις θέσεις τους. Η άλλη διάσπαση ακολούθησε μια μαγνητική μετάπτωση.
Σε αυτή τη διαδικασία, τα νετρόνια και τα πρωτόνια στο εσωτερικό του πυρήνα ουσιαστικά ανέστρεψαν τον εσωτερικό μαγνητικό τους προσανατολισμό. Μόνο η μαγνητική μετάπτωση παρήγαγε την ασυνήθιστη αύξηση στις ακτίνες γάμμα χαμηλής ενέργειας. Αυτό το αποτέλεσμα έδειξε ότι η ενίσχυση έχει μαγνητική προέλευση.
Το πείραμα προτάθηκε από κοινού από τις Ronning και Richard. Μαζί με το έργο της Richard ως μεταδιδακτορικής ερευνήτριας, οι επιστήμονες του LLNL συνεισέφεραν τεχνική τεχνογνωσία και βοήθησαν στην παρακολούθηση του πειράματος σε εικοσιτετράωρη βάση κατά τη διάρκεια μιας ολόκληρης εβδομάδας συνεχών μετρήσεων.
Προεκτάσεις που ξεπερνούν τον έναν πυρήνα
Αν και το πείραμα επικεντρώθηκε σε έναν μόνο πυρήνα, τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να βελτιώσουν την κατανόηση των επιστημόνων για την πυρηνική συμπεριφορά σε πολύ ευρύτερη κλίμακα. «Μπορούμε να βελτιώσουμε τη γνώση μας για την απόδοση του πυρηνικού μας οπλοστασίου και την ερμηνεία των αποτελεσμάτων παλαιότερων δοκιμαστικών προγραμμάτων, χρησιμοποιώντας τη βελτιωμένη θεωρία που βασίζεται σε αυτές τις ανακαλύψεις», δήλωσε ο συγγραφέας και επιστήμονας του LLNL, Darren Bleuel.
«Επιπλέον, μπορούμε να βελτιώσουμε την πυρηνική εγκληματολογία — την ικανότητά μας να προσδιορίζουμε εάν έχει συμβεί ένα πυρηνικό γεγονός και να εντοπίζουμε την πιο πιθανή πηγή». Τα ευρήματα θα μπορούσαν επίσης να ενισχύσουν τα μοντέλα των πυρηνικών αντιδράσεων που συμβαίνουν στα αστέρια, στους υπερκαινοφανείς (supernovae) και στις συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων —συμπεριλαμβανομένων των διαδικασιών που είναι υπεύθυνες για τη δημιουργία βαρέων στοιχείων— καθώς και να βελτιώσουν την κατανόηση των αντιδράσεων που σχετίζονται με την πυρηνική ενέργεια.
