Στα άδυτα του μικρόκοσμου, εκεί όπου τα βαρύτερα στοιχεία του σύμπαντος φλερτάρουν με την αστάθεια, οι επιστήμονες κατάφεραν να ρίξουν φως σε ένα από τα πιο καλά κρυμμένα μυστικά της ύλης.
Για δεκαετίες, η ακριβής δομή των υπερβαρέων ατόμων παρέμενε ένα μυστήριο, καθώς η εξαιρετικά σπάνια και ραδιενεργή φύση τους έκανε κάθε πείραμα σχεδόν ακατόρθωτο. Τώρα, χάρη σε μια επαναστατική τεχνολογία λέιζερ, μια διεθνής ομάδα ερευνητών πέτυχε το αδύνατο: «φωτογράφισε» για πρώτη φορά το πραγματικό σχήμα ενός εξαιρετικά σπάνιου πυρήνα, ανατρέποντας όσα γνωρίζαμε μέχρι σήμερα και ανοίγοντας τον δρόμο για την ανακάλυψη νέων, άγνωστων στοιχείων.
Χρησιμοποιώντας προηγμένη φασματοσκοπία λέιζερ σε εξαιρετικά σπάνιο ραδιενεργό υλικό, οι ερευνητές αποκάλυψαν νέα στοιχεία για τη δομή των βαρέων ατομικών πυρήνων. Ο πυρήνας του φερμίου-255 απέχει πολύ από το να είναι σφαιρικός. Οι επιστήμονες προσδιόρισαν τώρα το σχήμα του για πρώτη φορά, διαπιστώνοντας ότι είναι έντονα επιμήκης, μοιάζοντας πολύ με μπάλα του ράγκμπι.
Οι μετρήσεις υψηλής ακρίβειας, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Physical Review Letters, διορθώνουν επίσης παλαιότερα πυρηνικά δεδομένα και παρέχουν νέα στοιχεία που υποστηρίζουν τα θεωρητικά μοντέλα για τα βαρύτερα στοιχεία.
Το φέρμιο-255 περιέχει 100 πρωτόνια και 155 νετρόνια. Σε τόσο βαριούς πυρήνες, η ηλεκτρική απώθηση μεταξύ των θετικά φορτισμένων πρωτονίων δημιουργεί συνθήκες που μπορούν να οδηγήσουν σε αυθόρμητη σχάση, κατά την οποία ένας πυρήνας διασπάται σε μικρότερα θραύσματα.
Το σχήμα του πυρήνα επηρεάζει αυτή τη διαδικασία, καθιστώντας το κρίσιμο παράγοντα για την πρόβλεψη του αν μπορούν να υπάρξουν ακόμη βαρύτερα, ενδεχομένως μακροβιότερα στοιχεία.
Πώς το φως των λέιζερ “φωτογραφίζει” το σχήμα του πυρήνα
Αντί να παρατηρήσουν τον πυρήνα απευθείας, οι ερευνητές μελέτησαν τις αλληλεπιδράσεις του με τα ηλεκτρόνια που τον περιβάλλουν. Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται κοντά στον πυρήνα είναι ευαίσθητα στο μέγεθος, το σχήμα και τις μαγνητικές του ιδιότητες.
Αυτές οι αλληλεπιδράσεις προκαλούν εξαιρετικά μικρές διαφορές στα επίπεδα ατομικής ενέργειας, οι οποίες μπορούν να ανιχνευθούν μέσω μετρήσεων λέιζερ υψηλής ακρίβειας. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως υπερλεπτή αλληλεπίδραση, προκύπτει από τις ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες του πυρήνα.
Ένας παραμορφωμένος πυρήνας αλληλεπιδρά με το ηλεκτρικό πεδίο των κοντινών ηλεκτρονίων, ενώ ο πυρηνικός μαγνητισμός προκαλεί επιπλέον αποτελέσματα. Επειδή το φέρμιο-255 έχει περιττό αριθμό νετρονίων, ο πυρήνας του διαθέτει επίσης μια μαγνητική ροπή που συμβάλλει στον διαχωρισμό των ηλεκτρονικών ενεργειακών επιπέδων.
Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg του Μάιντς (JGU) παρατήρησαν για πρώτη φορά τα ατομικά ενεργειακά επίπεδα στο φέρμιο πριν από περισσότερα από 20 χρόνια. Ωστόσο, η τεχνολογία που ήταν διαθέσιμη τότε δεν μπορούσε να διακρίνει τις λεπτομέρειες που απαιτούνταν για τον ακριβή προσδιορισμό της πυρηνικής του δομής. Ως αποτέλεσμα, ορισμένα από τα πυρηνικά δεδομένα παρέμεναν ελλιπή ή αντιφατικά.
Η αλχημεία του εργαστηρίου: Πώς δημιουργείται το πιο σπάνιο στοιχείο στον κόσμο
Το φέρμιο πρέπει να κατασκευαστεί τεχνητά, και η απόκτηση επαρκούς αριθμού ατόμων για ένα πείραμα απαιτεί μια ασυνήθιστα περίπλοκη διαδικασία παραγωγής. Οι ερευνητές ξεκίνησαν με μήνες ακτινοβολίας νετρονίων σε υπερουράνιο υλικό στον Αντιδραστήρα Ισοτόπων Υψηλής Ροής στο Εθνικό Εργαστήριο του Όακ Ριτζ (ΗΠΑ), παράγοντας αϊνσταΐνιο-254.
Μετά από αρχικά πειράματα στις Ηνωμένες Πολιτείες, το υλικό ταξίδεψε στο Μάιντς (Γερμανία) για επεξεργασία και στη συνέχεια στο Ινστιτούτο Λάουε-Λανζεβέν (Laue-Langevin) στη Γαλλία για πρόσθετη ακτινοβολία νετρονίων. Έτσι παρήχθη αϊνσταΐνιο-255, το οποίο διασπάται σε φέρμιο-255.
Στη συνέχεια, το υλικό επιστράφηκε στο Μάιντς για τα πειράματα φασματοσκοπίας. Το αϊνσταΐνιο-255 έχει χρόνο ημιζωής περίπου 40 ημέρες, γεγονός που επέτρεπε τη συνεχή παροχή φερμίου-255 για αρκετές εβδομάδες. Μέσω επαναλαμβανόμενων χημικών διαχωρισμών, οι επιστήμονες εξασφάλισαν μεμονωμένα δείγματα που περιείχαν από δεκάδες εκατομμύρια έως περίπου ένα δισεκατομμύριο άτομα φερμίου.
Στον διαχωριστή RISIKO του Πανεπιστημίου του Μάιντς (JGU), τα δείγματα θερμάνθηκαν στους περίπου 1.000 βαθμούς Κελσίου (1.832 βαθμούς Φαρενάιτ) ώστε να απελευθερωθούν άτομα για τη λέιζερ ανάλυση.
Εξειδικευμένα συστήματα λέιζερ τιτανίου (Ti) διέγειραν και ιόνισαν τα άτομα, επιτρέποντας στους ερευνητές να διακρίνουν την υπερλεπτή δομή δύο οπτικών μεταβάσεων, παρά τις εξαιρετικά μικρές διαθέσιμες ποσότητες.
Ανατροπή στα δεδομένα: Νέες μετρήσεις καταρρίπτουν παλιές πυρηνικές θεωρίες
Οι ερευνητές συνδύασαν τα πειραματικά φάσματα με προηγμένους ατομικούς υπολογισμούς που πραγματοποιήθηκαν στο Πανεπιστήμιο των Γιαγκελόνων στην Κρακοβία της Πολωνίας και στο Ινστιτούτο Χέλμχολτζ του Μάιντς (HIM).
Η ανάλυση επιβεβαίωσε ότι ο πυρήνας του φερμίου-255 έχει έντονα επιμήκες (ελλειψοειδές) σχήμα, πράγμα που σημαίνει ότι είναι τεντωμένος κατά μήκος του ενός άξονα.
Παράλληλα, προσδιόρισε μια μαγνητική διπολική ροπή που διαφέρει από τις προηγούμενες καταγεγραμμένες τιμές, διορθώνοντας παλαιότερα αποτελέσματα που δεν συμβάδιζαν με τις φυσικές προσδοκίες.
Οι μετρήσεις συμφωνούν απόλυτα με τις σύγχρονες πυρηνικές θεωρίες που αναπτύχθηκαν από ερευνητικές ομάδες στη Γαλλία και τη Γερμανία.
Παρέχοντας πιο αξιόπιστες πληροφορίες σχετικά με την πυρηνική παραμόρφωση και τον μαγνητισμό, τα ευρήματα ενισχύουν τα μοντέλα της πυρηνικής σχάσης και θα μπορούσαν να βελτιώσουν τις προβλέψεις για τη σταθερότητα των υπερβαρέων στοιχείων που δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί.
