محققان Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) آلمان و Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) با همکاری متخصصان Technical University of Darmstadt and Leibniz University Hannover، رابطه بین ساختار اتمی و ویژگی‌های هسته‌ای را بازدید کرده‌اند.

یافته‌های آن‌ها که اخیراً در مجله Physical Review Letters انتشار شده است، محدودیت‌های جدیدی نیز برای وجود احتمالی نیروهای مرموز «تاریک» که امکان پذیر بر ماده تأثیر بگذارند، تعیین کرده است.

برای نزدیک به یک قرن، دانشمندان گمان می‌کردند که قسمت عمده‌ای از جهان از ماده تاریک ساخته شده است — ماده‌ای نامرئی که از طریق گرانش با ماده معمولی تعامل دارد.

برخی از محققان اعتقاد دارند که نیروهای ناشناخته «تاریک» نیز امکان پذیر در حال فعالیت باشند و بر هر دو ماده مرئی و تاریک تأثیر بگذارند. اگر این چنین نیروهایی وجود داشته باشند، می‌توانند بر ساختار اتم‌ها تأثیر بگذارند و اندازه‌گیری‌های دقیق را به ابزاری مهم در جستجوی فیزیک تازه تبدیل کنند.

بازدید یک ناهنجاری مرموز

این پژوهش تازه بر پایه کشفی غیرمعمول در سال ۲۰۲۰ توسط تیمی از Massachusetts Institute of Technology (MIT) انجام شده است. زمان مطالعه نسخه‌های گوناگون (ایزوتوپ‌های) عنصر ایتربیوم، محققان MIT تحول شگفت‌انگیزی در حرکت الکترون‌ها مشاهده کردند.

این تحول از الگوهای مورد انتظار پیروی نمی‌کرد و دانشمندان را به این فکر واداشت که آیا این اتفاق ناشی از یک نیروی تازه طبیعت است یا ویژگی‌ای کشف‌نشده از هسته‌های اتمی.

برای بازدید زیاد تر، فیزیک‌دانان PTB و MPIK آزمایش‌هایی زیاد دقیق روی ایزوتوپ‌های ایتربیوم انجام دادند. آن‌ها تفاوت‌های کوچک در فرکانس‌های انتقال الکترون‌ها را با منفعت گیری از طیف‌سنجی نوری پیشرفته در PTB اندازه‌گیری کردند.

در همان زمان، دانشمندان MPIK نسبت جرم ایزوتوپ‌ها را با منفعت گیری از طیف‌سنج جرمی با دقت بالا PENTATRAP تعیین کردند. این اندازه‌گیری‌ها تا ۱۰۰ برابر دقیق‌تر از مطالعات قبلی بودند.

نتایج، ناهنجاری اولیه را قبول کرد، اما به لطف محاسبات تازه نظریه هسته‌ای از محققان دانشگاه فنی دارمشتات، تیم توانست آن را توضیح دهد. به جای اشاره به یک نیروی تاریک تازه، این ناهنجاری به تغییرات ظریف در شکل هسته‌های اتمی مرتبط می بود.

به عبارت دیگر، تحول شکل هسته ایتربیوم به طوری بر حرکت الکترون‌ها تأثیر می‌گذاشت که پیش از این به طور کامل فهمیدن نشده می بود.

بینش‌های تازه درمورد هسته‌های اتمی و ماده تاریک

با تحلیل داده‌ها، دانشمندان محدودیت‌های جدیدی نیز برای وجود احتمالی نیروهای تاریک بین نوترون‌ها و الکترون‌ها تعیین کردند. اگر این چنین نیروهایی وجود داشتند، بر اندازه‌گیری‌ها تأثیر می‌گذاشتند — اما داده‌ها هیچ نشانه‌ای از این چنین تعامل‌هایی در سطح دقت جاری نشان ندادند.

علاوه بر این، یافته‌های تیم اطلاعات مستقیمی درمورد چگونگی تحول شکل هسته‌های ایتربیوم با تحول تعداد نوترون‌ها اراعه داد. این کشف بینش‌های ارزشمندی درمورد ساختار هسته‌های اتمی سنگین به دست می‌دهد و می‌تواند به دانشمندان پشتیبانی کند تا محیط‌های شدید، همانند ماده درون ستاره‌های نوترونی، را بهتر فهمیدن کنند.

این پژوهش مشخص می کند که چطور فیزیک اتمی، هسته‌ای و ذرات می‌توانند با همکاری یکدیگر به بازدید سوال‌های بنیادین درمورد جهان بپردازند. با ترکیب آزمایش‌های پیشرفته و مدل‌سازی نظری، دانشمندان نه تنها محدودیت‌های فهمیدن ما از ساختار اتمی را می‌آزمایند، بلکه در جستجوی فیزیک کاملاً جدیدی فراتر از مدل استاندارد می باشند.