MIT’deki fizikçiler, atomun kendi elektronlarını bir molekül içindeki “haberciler” olarak kullanarak, bir atomun çekirdeğinin içini araştırmak için yeni bir yöntem geliştirdiler.
Bugün dergide çıkan bir çalışmada BilimFizikçiler, bir radyum monoflorür molekülü oluşturmak için bir florür atomuyla eşleştirilmiş bir radyum atomunun etrafında dönen elektronların enerjisini hassas bir şekilde ölçtüler. Moleküllerin içindeki ortamları, radyum atomunun elektronlarını içeren ve onları atomun çekirdeğine kısa süreliğine nüfuz etmeye teşvik eden bir tür mikroskobik parçacık çarpıştırıcısı olarak kullandılar.
Tipik olarak, atom çekirdeğinin içini araştırmak için yapılan deneyler, elektron ışınlarını çekirdeklerle çarpışıp parçalayacak kadar hızlı bir şekilde hızlandıran devasa, kilometrelerce uzunluğunda tesisler içerir. Ekibin yeni molekül bazlı yöntemi, bir atom çekirdeğinin içini doğrudan araştırmak için masa üstü bir alternatif sunuyor.
Ekip, radyum monoflorür molekülleri içinde, molekülün içinde dolaşan radyum atomunun elektronlarının enerjilerini ölçtü. Hafif bir enerji değişimini fark ettiler ve elektronların radyum atomunun çekirdeğine kısa süreliğine nüfuz etmiş ve içeriğiyle etkileşime girmiş olması gerektiğini belirlediler. Elektronlar geriye doğru kanatlanırken, bu enerji değişimini koruyarak, atom çekirdeğinin iç yapısını algılamak için analiz edilebilecek bir nükleer “mesaj” sağladılar.
Ekibin yöntemi nükleer “manyetik dağılımı” ölçmenin yeni bir yolunu sunuyor. Bir çekirdekte her proton ve nötron küçük bir mıknatıs gibi davranır ve çekirdekteki proton ve nötronların nasıl yayıldığına bağlı olarak farklı şekilde hizalanırlar. Ekip, radyum çekirdeğinin bu özelliğini ilk kez tam olarak haritalandırmak için kendi yöntemini uygulamayı planlıyor. Buldukları şey kozmolojideki en büyük gizemlerden birine cevap vermeye yardımcı olabilir: Evrende neden antimaddeden çok daha fazla madde görüyoruz?
MIT’de Thomas A. Franck Fizik Doçenti olan çalışmanın ortak yazarı Ronald Fernando Garcia Ruiz, “Sonuçlarımız, nükleer düzeyde temel simetri ihlallerini ölçmeyi amaçlayan sonraki çalışmalar için zemin hazırlıyor” diyor. “Bu, modern fizikteki en acil soruların bazılarına yanıt verebilir.”
Çalışmanın MIT ortak yazarları arasında Shane Wilkins, Silviu-Marian Udrescu ve Alex Brinson’un yanı sıra deneylerin gerçekleştirildiği İsviçre’deki CERN’deki Eşdoğrusal Rezonans İyonizasyon Spektroskopi Deneyi (CRIS) dahil olmak üzere birçok kurumdan ortak çalışanlar yer alıyor.
Moleküler tuzak
Bilim adamlarının en iyi anlayışına göre, evren ilk var olduğunda hemen hemen eşit miktarda madde ve antimadde bulunmalıdır. Ancak bilim adamlarının evrende ölçebildiği ve gözlemleyebildiği şeylerin büyük çoğunluğu, yapı taşları atom çekirdeğindeki protonlar ve nötronlar olan maddeden oluşuyor.
Bu gözlem, en iyi doğa teorimiz olan Standart Model’in öngördüğü şeyle tam bir tezat oluşturuyor ve evrenimizdeki antimaddenin neredeyse tamamen yokluğunu açıklamak için ek temel simetri ihlali kaynaklarının gerekli olduğu düşünülüyor. Bu tür ihlaller, radyum gibi bazı atomların çekirdeklerinde görülebiliyordu.
Küresel şekilli çoğu atom çekirdeğinin aksine, radyum atomunun çekirdeği armut benzeri daha asimetrik bir konfigürasyona sahiptir. Bilim adamları, bu armut şeklinin, temel simetrilerin ihlalini algılama yeteneklerini, potansiyel olarak gözlemlenebilecekleri ölçüde önemli ölçüde artırabileceğini tahmin ediyor.
Grubu, radyum çekirdeklerini temel simetri ihlali belirtileri açısından araştırmak için yöntemler geliştirmeye odaklanan Garcia Ruiz, “Radyum çekirdeğinin bu simetri kırılmasının bir yükselticisi olduğu tahmin ediliyor, çünkü çekirdeği yük ve kütle açısından asimetriktir ki bu oldukça sıra dışı bir durumdur” diyor.
Temel simetrileri araştırmak için bir radyum atomunun çekirdeğinin içine bakmak inanılmaz derecede zor bir egzersizdir.
MIT’de eski bir doktora sonrası araştırmacı olan çalışmanın baş yazarı Shane Wilkins, “Radyum doğal olarak radyoaktiftir ve kısa bir ömre sahiptir ve şu anda yalnızca küçük miktarlarda radyum monoflorür molekülleri üretebiliyoruz” diyor. “Bu nedenle bunları ölçebilmek için inanılmaz derecede hassas tekniklere ihtiyacımız var.”
Ekip, bir moleküle radyum atomu yerleştirerek elektronların davranışını kontrol altına alıp güçlendirebileceklerini fark etti.
Çalışmanın ortak yazarlarından Ph.D. Silviu-Marian Udrescu şöyle açıklıyor: “Bu radyoaktif atomu bir molekülün içine koyduğunuzda, elektronlarının deneyimlediği iç elektrik alanı, bizim laboratuvarda üretip uygulayabileceğimiz alanlarla karşılaştırıldığında kat kat daha büyüktür.” “Bir bakıma molekül dev bir parçacık çarpıştırıcısı gibi davranıyor ve bize radyumun çekirdeğini araştırmak için daha iyi bir şans veriyor.”
Enerji değişimi
Ekip, yeni çalışmalarında ilk olarak radyum monoflorür molekülleri oluşturmak için radyum atomlarını florür atomlarıyla eşleştirdi. Bu molekülde, radyum atomunun elektronlarının etkili bir şekilde sıkıştırıldığını, elektronların radyum çekirdeğiyle etkileşime girme ve kısa süreliğine nüfuz etme şansını arttırdığını buldular.
Ekip daha sonra molekülleri tuzağa düşürüp soğuttu ve onları, moleküllerle etkileşime giren lazerlerin de gönderildiği bir vakum odaları sistemine gönderdi. Bu sayede araştırmacılar her molekülün içindeki elektronların enerjisini hassas bir şekilde ölçebildiler.
Enerjileri hesapladıklarında, elektronların, çekirdeğe nüfuz etmedikleri takdirde fizikçilerin beklediklerinden biraz farklı bir enerjiye sahip olduklarını buldular. Her ne kadar bu enerji değişimi küçük olsa da (molekülleri harekete geçirmek için kullanılan lazer fotonunun enerjisinin yalnızca milyonda biri), moleküllerin elektronlarının radyum çekirdeği içindeki protonlar ve nötronlarla etkileşime girdiğine dair kesin kanıtlar verdi.
Wilkins, “Çekirdekler ve çekirdeğin dışındaki elektronlar arasındaki etkileşimleri ölçen birçok deney var ve bu etkileşimlerin neye benzediğini biliyoruz” diye açıklıyor. “Bu elektron enerjilerini çok hassas bir şekilde ölçmeye gittiğimizde, bunların yalnızca çekirdeğin dışında etkileşime girdiğini varsayarsak, beklediğimizle pek örtüşmedi. Bu bize, farkın çekirdeğin içindeki elektron etkileşimlerinden kaynaklanması gerektiğini söyledi.”
Garcia Ruiz, “Artık çekirdeğin içinden örnek alabileceğimize dair kanıtımız var” diyor. “Bu, bir pilin elektrik alanını ölçebilmek gibi bir şey. İnsanlar bunun alanını dışarıda ölçebilir ancak pilin içini ölçmek çok daha zordur. Ve şimdi yapabileceğimiz şey de bu.”
Ekip, ileriye dönük olarak çekirdeğin içindeki kuvvetlerin dağılımını haritalamak için yeni tekniği uygulamayı planlıyor. Şimdiye kadar yaptıkları deneyler, yüksek sıcaklıkta her molekülün içinde rastgele yönlerde bulunan radyum çekirdeklerini içeriyordu. Garcia Ruiz ve işbirlikçileri, bu molekülleri soğutmak ve armut biçimli çekirdeklerinin yönelimlerini kontrol edebilmek, böylece içeriklerini tam olarak haritalandırabilmek ve temel simetri ihlallerini tespit edebilmek istiyorlar.
Garcia Ruiz, “Radyum içeren moleküllerin, doğanın temel simetrilerinin ihlallerini araştıracak olağanüstü hassas sistemler olduğu tahmin ediliyor” diyor. “Artık bu aramayı gerçekleştirmenin bir yolunu bulduk.”
