Birçok atom çekirdeği, Dünya’nınkine benzer manyetik bir alana sahiptir. Bununla birlikte, doğrudan kurşun veya bizmut gibi ağır bir çekirdeğin yüzeyinde, Dünya alanından trilyonlarca kat daha güçlüdür ve bir nötron yıldızınınkiyle karşılaştırılabilir. Bir elektronun bu kadar güçlü alanlarda davranışını anlayıp anlamadığımız hala açık bir sorudur.
GSI Helmholtz Heavy Ion Araştırmaları Merkezi’nde TU Darmstadt liderliğindeki bir araştırma ekibi, bu soruyu açıklığa kavuşturmak için önemli bir adım attı. Bulguları şurada yayınlandı Doğa fiziği. Sonuçlar teorik tahminleri doğrulamaktadır.
Hidrojen benzeri iyonlar, yani sadece tek bir elektronun bağlı olduğu atomik çekirdekler teorik olarak tanımlanması özellikle kolaydır. Yüksek proton sayısına sahip ağır çekirdekler durumunda – bismut, çekirdeğinde 83 pozitif yüklü proton bulunur – güçlü elektriksel çekim, elektronu çekirdeğe yakın ve dolayısıyla bu aşırı manyetik alan içine bağlar. Orada, elektron kendi manyetik alanını bir pusula iğnesi gibi çekirdeğinkiyle hizalar.
Tam olarak doğru miktarda enerji sağlayarak, bu pusula iğnesi ters yönde çevrilebilir. Araştırmacıların başardığı şey budur. Yöntemi ilk kez, gerekli enerji miktarının özellikle doğru bir teorik tahmini olan radyoaktif bir izotopa uygulayabildiler.
Gerekli enerji, elektromanyetizmanın kuantum teorisi olan kuantum elektrodinamiği (QED) kullanılarak hesaplanabilir. Bununla birlikte, bu tür ağır atom çekirdeklerinin yapısı hakkında yetersiz bilgi, doğru tahminleri zorlaştırmaktadır ve şimdiye kadar teorinin kesin ve açık bir testini önlemiştir.
Kararlı izotop BI-209 üzerindeki ölçümler son zamanlarda teorik tahmin ile tutarlıydı. Bununla birlikte, nükleer yapının teorik tahmin üzerindeki etkisinin varsayıldığı ölçüde gerçekten ortadan kaldırılamayacağı konusunda hala şüpheler vardı.
Deney testinde bu boşluğu kapatmak için, farklı bir nükleer yapıya sahip başka bir bizmut izotopunun ölçülmesi önerildi. Ne yazık ki, Bismuth’un ikinci bir istikrarlı izotopu yok, bu nedenle Profesör Wilfried Nörtershäuser liderliğindeki araştırma ekibi radyoaktif bir izotopa başvurmak zorunda kaldı. İzotop BI-208, stabil izotoptan bir nötronu daha az olduğu ve bu nedenle daha güçlü bir manyetik alan sergilediği için uygun bir adaydı.
Çalışmanın baş yazarı Dr. Max Horst, “Bu deneydeki ilk zorluk, istenen izotop BI-208’in hidrojen benzeri iyonunu oluşturmak ve izole etmekti.” Bunu yapmak için, nükleer bir reaksiyonda kararlı BI-209’dan bir nötron devirildi ve bu reaksiyonun fragmanları ESR deneysel depolama halkasında toplandı.
Aynı zamanda, başlangıçta 83 elektrondan biri hariç tümü hidrojen benzeri sistemi üretmek için atomdan çıkarılmalıdır. Depolama halkasındaki fragmanlar, ışık hızının yaklaşık% 72’sinde veya saniyede yaklaşık 200.000 kilometre uzaklıkta. Aralarında BI-208 izotopunun hidrojen benzeri iyonları tanımlandı ve tüm istenmeyen reaksiyon ürünleri çıkarıldı.
“Kararlı izotop BI-209’un daha önceki ölçümlerinde, yaklaşık 1000 kat daha fazla iyon vardı,” diye açıklıyor Horst, “bu yüzden deneyin tüm yönlerinin verimlilik ve duyarlılık açısından optimize edilmesi gerekiyordu.”
Ölçüm prensibi, elektronun manyetik alanını doğru enerjinin bir lazer ışını ile ışınlayarak çevirmeye dayanmaktadır. İyon, lazer ışınındaki temel bir ışık parçacığını – bir foton – emer. Fotonun enerjisi daha sonra elektrona aktarılır ve nükleer manyetik alanda olumsuz hizalamaya sahip duruma ulaşılacak şekilde manyetik alanını çevirmek için kullanılır.
Bu enerjiden kurtulmak için, elektron ortalama yaklaşık yarım milisaniyeden sonra geri dönerek başka bir foton yayar. Bu noktada, iyon depolama halkasını yüzlerce kez zaten çevreledi ve bu yayılan fotonlar, depolama halkası boyunca özellikle karanlık bir noktada hassas dedektörler tarafından mümkün olduğunca az arka plana sahip olmak için tespit ediliyor.
Mevcut az sayıda iyon nedeniyle, lazerin hangi foton enerjisinin veya dalga boyunun (“renk”) işlemin gerçekleşmesi çok doğru bir şekilde tahmin etmek çok önemliydi. Nörtershäuser, “Bu kadar düşük bir sinyal oranında büyük bir dalga boyu aralığını aramak çok zaman alacaktı” diyor.
Birkaç yıl önce, İsviçre’deki Cern Araştırma Merkezi’nde iki Bi izotopun nötr atomları üzerinde ölçümler başlattı ve bu da farklı nükleer yapıların etkisinin tahmin edilmesine izin verdi. Teorik fizikçiler, bu bilgiyi, hidrojen benzeri BI-208’de geçiş enerjisinin çok kesin bir tahminini yapmak için stabil izotopun hidrojen benzeri iyonunun daha önceki ölçümü ile birleştirdiler.
Bu değer tam bir kuantum mekanik hesaplama ile kararlaştırıldı, ancak yaklaşık 10 kat daha doğruydu. Depolama halkasında ölçülen ve yeni yayında bildirilen deneysel değer, bu tahminle mükemmel bir şekilde anlaşıyor. Sonuç artık nükleer yapının izotop BI-208’in diğer yük durumları üzerindeki etkisini tahmin etmek için kullanılabilir ve yöntem, bismut veya diğer elementlerin diğer izotoplarına benzer şekilde uygulanabilir.
