Görünmeyen bozunma ürünlerine ilişkin gelecekteki araştırmalar, havada elektrik alanla asılı olarak tutulan bir mikropartikülün, içine gömülü bir çekirdek bozunduğunda geri teptiğinin gözlemlenmesiyle mümkün olabilir.
Bilardo topu çarpışmaları, galaksi oluşumu ve hızlandırıcılarda atom altı parçacıkların oluşumu gibi dinamik süreçler, fizikçiler tarafından onlarca yıldır momentumun korunumu merceğinden inceleniyor.
Yale Üniversitesi’nden David Moore ve meslektaşları yakın zamanda bu yöntemi farklı bir bağlamda uyguladılar; bu sefer radyoaktif bir atomun momentum korunumunu kullanarak bir helyum çekirdeğini (bir alfa parçacığı) serbest bıraktığı zamanı hesaplayarak.
Bu gösteri, orada burada yapılacak bazı ayarlamalarla bu yöntemin, nükleer bozunmanın iki yan ürünü olan nötrinoları ve varsayımsal karanlık madde parçacıklarını tespit etmek için kullanılabileceğini ima ediyor.
Temel prensip basittir:
Eğer radyoaktif atom daha büyük bir parçanın içinde yer alıyorsa, dışarı çıkan bozunma ürününün ona ters reaksiyon uygulaması nedeniyle nesne ters yönde geri tepecektir. Peki helyum çekirdeğinin küçük boyutu göz önüne alındığında geri tepme hareketi tespit edilebilir mi?
Bulmak için daha büyük nesnenin momentumunu ölçmenin kesin bir yoluna ihtiyacımız var. Sürtünme önemli bir kısıtlamadır çünkü daha büyük parçanın, sürtünme kuvvetleri tarafından yavaşlatılması durumunda bozunan parçacığın itkisini yansıtmasını engeller.
Moore ve ekibinin kullandığı daha büyük nesne, sürtünmeyi azaltmak için yüksek vakumlu bir ortamda havaya kaldırdıkları silika mikroküreydi. Küçük nesneleri havaya kaldırmak için optik, elektrik veya manyetik kuvvetlerin kullanılması, çevrelerinden tamamen ayrılmaya olanak tanır.
Ek olarak, havaya kaldırılan bir nesnenin ışık saçılımlı ışınları, nesnenin hareketini hassas bir şekilde düzenlemek için elektriksel veya optik geri bildirime izin vererek konumunu hassas bir şekilde izlemek için kullanılabilir.
Bir saniyelik gözlem süresiyle, optik tuzaklardaki havaya kaldırılan nanoküreler, onları kuantum mekaniksel temel hareket durumuna kadar yavaşlatan geri bildirim sayesinde, 10−7g kadar küçük ivmeleri ve 10−20 Newton kadar küçük kuvvetleri kaydedebilir.
Yale deneyinde bir ön aşama olarak radyoaktif kurşun-212 atomları silikon mikrokürelere yerleştirildi. Her mikrokürenin yüzeyinin 60 nm yakınında birkaç yüz atomu vardı. İmplantasyondan sonra, ilk olarak Arthur Ashkin ve meslektaşları tarafından geliştirilen bir teknik mikroküreleri birer birer havaya kaldırmak için kullanıldı.
Lazerin dairesel polarizasyonunun sağladığı jiroskopik stabilite, mikrokürenin 100 kHz’den daha yüksek frekanslarda dönmesine izin vererek parçacığın dönme ekseninin yönünü etkili bir şekilde sabitledi. Daha sonra mikroküreyi içeren bölmenin içindeki basınç yaklaşık 10−10 atmosfere düşürüldü.
Son adım, iki ila üç günlük bir süre boyunca her mikrokürenin geri tepme verilerini sürekli olarak yakalamaktı. Araştırmacılar, yarı ömrü 10,6 saat olan kurşun-212’nin nükleer bozunarak kararlı izotop kurşun-208’e dönüştüğünü doğrulamak için alfa ve beta parçacıklarının (elektronlar) emisyonlarını araştırıyorlardı. Altı mikrokürenin verileri toplandı.
Araştırmacılar iki ayrı metodoloji kullanarak nükleer bozunumları tespit edebildiler. Dikkate alınması gereken ilk yaklaşım elektriksel yaklaşımdı. Mikrokürenin dalgalanan bir elektrik alanına tepkisi izlenerek, bireysel elektron veya proton seviyesine kadar taşıdığı ekstra yük miktarı belirlenebilir. Bu değerin değişmesi, nükleer parçalanma nedeniyle yüklü parçacıkların dışarı fırladığı anlamına geliyordu.
Üç gün sonra, implante edilmiş kurşun-212 içermeyen bir mikroküredeki fazla yük değişmeden kaldı. İkinci yaklaşım optik prensiplere dayanıyordu; Işığın mikroküre tarafından saçılması, onun tuzak içindeki hareketi hakkında kesin veriler sağlıyordu. İlk yöntem kullanılarak 83 yük kaybı örneği belirlendikten sonra araştırmacılar, ikinci yöntemi kullanarak her olay için mikrokürenin aldığı darbeyi yeniden yapılandırdı.
En önemli bulgusu, beta ve alfa bozunumlarından beklenen tepkiyle uyumlu olan, yeniden oluşturulmuş dürtü genliklerinin bir histogramıdır. Beta bozunmaları arka plana katkıda bulunur ancak geri tepmeyi çözmek için yeterli momentumu ortadan kaldırmaz; alfa bozunmaları ise geri tepme sinyalinden sorumludur.
Bu bulgu, bozunma ürünlerinden 1012 kat daha ağır olan silika mikroküre üzerindeki geri tepme vuruşunun nükleer bozunmayı tespit etmek için kullanılabileceğini göstermektedir. Buna ek olarak araştırmacılar, geri tepme ve şarj ölçümlerini aynı anda alarak ölçümün hassasiyetini artırdı ve bu da cihazın günde bir kez kadar nadir görülen durumları tespit etmesine olanak sağladı.
Hassasiyeti daha da artırmak için daha küçük bir havaya kaldırılan öğe kullanılabilir; örneğin Moore ve meslektaşları, bu araştırmada kullanılandan yüz kat daha az kütleye sahip bir küre kullanarak nötrino özelliklerinin araştırılmasını önerdiler. Havaya kaldırılan nanokürelere dayalı sensörlerle ilgili son gelişmelere dayanarak, alternatif bir yaklaşım, mikroküre momentum algılamasının kuantum rejimine duyarlılığını artırmak olabilir.
Araştırmacılara göre, bozunma ürünlerinin tespit ortamıyla etkileşimine bağlı olan geleneksel nükleer bozunma dedektörlerinin aksine, geri tepmeye dayalı tespit bu dezavantajı ortadan kaldırıyor. Sonuç olarak, etkileşime girmeyen parçacıklar olan steril nötrinoları veya karanlık maddeyi içeren bozunmaların önünü açma potansiyeline sahiptir. Eğer varsayımsal steril nötrinolar mevcutsa, hafif kütleleri ve yalnızca diğer parçacıklarla yerçekimi yoluyla etkileşime girmeleri nedeniyle bulunması zor olacaktır.
Çok sayıda spekülasyona rağmen, Evrenin yaklaşık %27’sini oluşturduğu düşünülen karanlık maddenin doğası hala bir sır olarak kalıyor. Moore ve meslektaşlarının yöntemleri, radyoaktif bozunmanın neden olduğu geri tepmelerdeki beklenmedik momentumu tespit ederek bu kaçan parçacıkları tespit edebildi.
Geri tepme duyarlılığının potansiyel bir dezavantajı, gelecekteki tuzaklanmış iyon tabanlı kuantum bilgisayarları, komşu elektrot yüzeylerinden kaynaklanan radyoaktif bozulmalara karşı savunmasız hale getirebilmesidir. Moore ve meslektaşları bu çalışmalar aracılığıyla momentumun korunmasının hayatın kaçınılmaz bir gerçeği olduğunu hatırlatıyor.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v17/107
