Enerji Bakanlığı Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nda Timothy Grey tarafından yürütülen bir çalışma, atom çekirdeğinin yapısında beklenmedik bir değişiklik keşfetmiş olabilir. Çekirdekleri birbirine neyin bağladığına, proton ve nötronların nasıl etkileşime girdiğine ve elementlerin nasıl oluştuğuna dair bilgilerimiz bu beklenmedik keşiften etkilenebilir.
Nükleer fizikçi Grey, “Kararlılıktan uzak nükleer şekiller hakkındaki anlayışımızı test etmek için uyarılmış sodyum-32 çekirdeklerinin radyoaktif ışınlarını kullandık ve nükleer şekillerin nasıl geliştiği hakkında soruları gündeme getiren beklenmedik bir sonuç bulduk” dedi. Physical Review Letters bulguları yayınladı.
Atom çekirdekleri zaman içinde şekilleri ve enerjileri açısından çeşitli konfigürasyonlara dönüşebilir. Genellikle çekirdekler küresel veya çarpık biçimlere sahiptir ve kuantum varlıkları olarak bulunurlar. İlki basketbol topu gibi bir görünüme sahipken, sonrakiler daha çok Amerikan futbol topuna benzer.
Bilim camiası için cevaplanmamış önemli bir soru, formlar ve enerji seviyelerinin nasıl bağlantılı olduğudur. Nükleer yapı modelleri, deneysel verilerin az olduğu alanlara tahmin yapmakta zorluk çekmektedir.
Geleneksel modeller tarafından öngörülen formlar, bazı olağandışı radyoaktif çekirdekler için görülenin tam tersidir. Beklentilerin aksine, radyoaktif çekirdeklerin temel hallerinde veya en düşük enerjili konfigürasyonlarında çarpıtılmış oldukları bulunmuştur.
Bir kuantum durumunu tersine çevirme gücüne ne sahiptir?
Küresel şekil yüksek enerjili olandır çünkü teorik olarak, uyarılmış deforme olmuş bir durumun enerjisi küresel bir temel durumun enerjisinin altına düşebilir. Beklenmedik bir şekilde, nötronların protonlara olan doğal oranı dengeden çıktığında, bu rol değişimi bazı olağandışı çekirdekler için gerçekleşiyor gibi görünmektedir. Ancak uyarılmış küresel tersine dönüş sonrası durumlar hiçbir zaman keşfedilmemiştir. Görünüşe göre, temel hal deforme olur olmaz, uyarılmış tüm haller de deforme oluyor.
Çekirdeklerde küresel temel hallerin ve çarpıtılmış uyarılmış hallerin çok sayıda örneği vardır. Buna benzer şekilde, birçok çekirdeğin deforme olmuş temel halleri ve ardından deforme olmuş uyarılmış halleri vardır, bazen farklı miktarlarda veya deformasyon türlerinde.
Bununla birlikte, hem küresel uyarılmış durumlara hem de çarpıtılmış temel durumlara sahip çekirdekleri bulmak oldukça zordur.
Gray’in ekibi, Michigan Eyalet Üniversitesi’ndeki bir DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisi olan Nadir İzotop Işınları Tesisi veya FRIB’deki ilk deneyden 2022’de toplanan verileri kullanarak radyoaktif sodyum-32’nin uzun ömürlü bir uyarılmış halini keşfetti. Yeni keşfedilen uyarılmış durum 24 mikrosaniyelik bir ömre sahip olup, bu süre sıradan nükleer uyarılmış duruma kıyasla olağanüstü uzun ve kabaca bir milyon kat daha uzun.
İzomerler uzun ömürlü durumlardır. Ömrün uzaması beklenmedik bir şeylerin olduğunu gösterir. Örneğin, uyarılmış halin küresel olması durumunda çarpıtılmış bir temel hale geri dönme zorluğu, uzun süreli varlığını açıklayabilir.
Nadir izotop bozunma işaretlerine karşı son derece hassas olan modüler bir çoklu dedektör sistemi olan FRIB Bozunma İstasyonu başlatıcısı veya FDSi, 2023 sonucunu belirlemek için gerekli verileri üreten 2022 deneyinde kullanıldı.
ORNL araştırmacısı ve çalışmanın ortak yazarı Mitch Allmond, “FDSi’nin çok yönlü dedektör kombinasyonu, sodyum-32’nin uzun ömürlü uyarılmış halinin FRIB ışını içinde iletildiğini ve daha sonra aynı çekirdeğin temel haline gama ışınları yayarak dahili olarak bozunduğunu gösteriyor” dedi.
UT Knoxville tarafından oluşturulan bir implantasyon dedektörü, FRIB tarafından yayılan ve yaklaşık %50 ışık hızında hareket eden çok enerjik radyoaktif ışını engellemek için FDSi’nin merkezine yerleştirildi. DEGAi olarak bilinen ve 15 hızlı zamanlamalı lantan bromür dedektörü ve 11 germanyum yonca tarzı dedektör içeren bir gama ışını dedektörü dizisi, ışın hattının kuzeyine yerleştirildi. Radyoaktif bozunma sırasında açığa çıkan nötronların uçuş zamanını ölçen NEXTi dedektörünün 88 modülü ışın hattının güneyinde yer alıyordu.
Uyarılmış sodyum-32 çekirdeklerinden oluşan bir akım dedektörde durdu ve bozulmuş temel duruma bozunurken gama ışınları saldı. Uyarılmış durumun ne kadar sürdüğü, ışın implantasyonu ile gama ışını emisyonu arasındaki aralığı belirlemek için gama ışını spektrumları analiz edilerek belirlendi.
Yeni izomer, 24 mikrosaniye süren 20 ila 28 nötronlu gama ışını yayan izomerler arasında en uzun ömre sahiptir. Sodyum-32 çekirdekleri açısından, yeni izomerin bunların yaklaşık %1,8’ini oluşturduğu bulunmuştur.
Grey’e göre, deneyde gördüğümüz enerji ve yaşam süreleri iki ayrı modelle açıklanabilir.
Sodyum-32’deki uyarılmış halin küresel olup olmadığını tespit etmek için daha büyük bir ışın gücü deneyi gereklidir. Eğer öyleyse, durum altı kuantize açısal momentum birimine sahip olacaktır; bu, bir çekirdeğin tüm vücut dönüşü veya tek tek protonlarının ve/veya nötronlarının kütle merkezi etrafındaki yörünge hareketiyle ilgili bir özelliğidir.
Bununla birlikte, sodyum-32’deki uyarılmış durum, deforme olması halinde sıfır kuantize açısal momentum birimine sahip olacaktır.
FRIB’in gelecekteki bir güncellemesiyle daha fazla güç elde edilebilecek ve ışın demetindeki çekirdek sayısı artacaktır. İki seçenek arasında ayrım yapabilecek bir deney, daha güçlü ışından elde edilecek verilerle mümkün olacaktır.
Grey, bir kaskadda salınan iki gama ışınının açıları arasındaki korelasyonların bu şekilde sınıflandırılacağını açıkladı. İki senaryodaki gama ışınlarının açısal korelasyonları önemli ölçüde farklıdır. Yeterli istatistiğe sahip olursak net bir cevap gösteren modeli ayırabiliriz.
Kaynak: phys.org/news/2023-08-long-lived-quantum-state-mystery-radioactive.html
