Recent upgrades to the CRIS Decay Spectroscopy Station: Accessing - and -ray spectroscopy on pure isomeric beams
تمت ترقية محطة مطيافية اضمحلال CRIS في ISOLDE-CERN بغرفة كشف جديدة متوافقة مع الفراغ، ونظام شريط جديد، ونظام تجميع بيانات رقمي لتمكين مطيافية أشعة بيتا وأشعة غاما الانتقائية للمتماكبات، وهو ما تم إثباته بنجاح من خلال الفصل الكامل والكشف الفعال لمتماكبات In.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في أعماق قلب المادة يكمن النواة الذرية، وهي تجمع كثيف من البروتونات والنيوترونات التي تحدد كل عنصر في الكون. وبينما تكون بعض النوى مستقرة، فإن الكثير منها غير مستقرة، أو مشعة، حيث تتغير باستمرار وتتخلص من الطاقة لتجد حالة أكثر راحة. يدرس العلماء هذه اللحظات العابرة من التحلل لفهم القوى الأساسية التي تمسك بالكون معاً. ومع ذلك، يظل هناك تحدٍ مستمر في هذا المجال يتمثل في وجود "المتساوغات" (isomers). وهذه هي نسخ من نفس الذرة تمتلك نفس عدد البروتونات والنيوترونات ولكنها مرتبة في حالات طاقة مختلفة، تماماً مثل ورقة مطوية مقابل أخرى مسطحة. وغالباً ما تصل هذه النسخ المختلفة إلى المختبر مختلطة معاً، مما يجعل من شبه المستحيل معرفة أي منها يتحلل وأيها مجرد ضجيج خلفي. ولرؤية الطبيعة الحقيقية لحالة نووية محددة، يجب على الباحثين عزلها بدقة متناهية، وهي مهمة تطلبت طويلاً توازناً دقيقاً بين الليزر وتقنية الفراغ.
في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية، المعروفة باسم سيرن (CERN)، قام فريق من العلماء مؤخراً بتطوير مرفق متخصص يسمى محطة مطيافية التحلل (Decay Spectroscopy Station). يقع هذا المحطة في مرفق إيسولد (ISOLDE)، وهي مصممة لالتقاط الذرات المشعة أثناء تكوينها ودراسة كيفية تفككها. لقد قام الباحثون، بقيادة تعاون دولي كبير، بتحويل المحطة لتعمل مع حزم من الذرات التي تم تنقيتها بحيث لا تحتوي إلا على نوع واحد من الحالات النووية. وباستخدام تقنية قوية تسمى مطيافية الامتصاص الأيوني الرنيني الاستعمودي (collinear resonance ionization spectroscopy)، يمكنهم ضبط الليزرات لتتفاعل فقط مع البصمة الطاقية المحددة للذرات التي يرغبون في دراستها، مما يؤدي فعلياً إلى تصفية جميع النسخ غير المرغوب فيها. وتسمح التحديثات الجديدة لهذه الحزم المنقاة بالاستقرار على شريط متحرك، والذي ينقل الذرات بعيداً عن الكواشف بعد فترة وجيزة، مما يضمن عدم تلوث القياسات بالإشعاع المتبقي من الذرات السابقة.
القلب الفيزيائي لهذه القدرة الجديدة هو غرفة كشف أعيد تصميمها. فقد استبدل الباحثون تصميماً قديماً مصنوعاً من الفولاذ المقاوم للصدأ بوحدة مدمجة ومصنوعة خصيصاً يمكنها العمل في فراغ فائق الارتفاع. داخل هذه الغرفة، قاموا بتثبيت نظام شريط متحرك يمر عبر مركز كاشف متخصص. هذا الكاشف عبارة عن "ومّاض بلاستيكي" (plastic scintillator) مصنوع يدوياً، وهو عبارة عن كتلة من مادة شفافة تومض بالضوء عند اصطدام جسيم بها. ويحيط بهذا المركز عدة كواشف عالية الدقة قادرة على استشعار أشعة غاما، وهي حزم من الضوء عالي الطاقة تنبعث أثناء التحلل النووي. ويرتبط النظام بأكمله بنظام رقمي متطور يسجل اللحظة الدقيقة التي يصطدم فيها جسيم بالبلاستيك والطاقة الدقيقة لأشعة غاما التي تتبع ذلك، مما يسمح للفريق بإعادة بناء عملية التحلل بوضوح غير مسبوق.
لاختبار ما إذا كانت آلتهم الجديدة قد نجحت، أجرى الفريق تجربة تشغيلية باستخدام حزم من الإنديوم، وهو عنصر كيميائي يوجد في شكلين متميزين: الحالة الأرضية والحالة المثارة (isomeric state). هذان الشكلان يصعب فصلهما بشكل ملحوظ لأن بصماتهما الطاقية تتداخل بشكل كبير. وجه الباحثون حزمة من ذرات الإنديوم إلى المحطة، مستخدمين ليزراتهم لاختيار شكل واحد من الشكلين في كل مرة. ومع استقرار الذرات المختارة على الشريط المتحرك، بدأت في التحلل. لاحظ الفريق أن الشريط المتحرك نقل البقايا المشعة بنجاء، تاركاً الكواشف نظيفة وجاهزة للدفعة التالية من الذرات. وقد قاموا بقياس كفاءة الكاشف البلاستيكي الجديد، ووجدوا أنه نجح في التقاط حوالي تسعة عشر بالمائة من جسيمات بيتا المنبعثة أثناء التحلل، وهو إنجاز كبير لمثل هذا الجهاز المدمج.
كانت النتيجة الأكثر لفتاً للنظر في التجربة هي القدرة على التمييز بوضوح بين شكلي الإنديوم. فعندما تم ضبط الليزرات على الحالة الأرضية، سجلت الكواشف نمطاً معيناً من أشعة غاما لا يظهر إلا عند وجود تلك الحالة. وعندما تم ضبط الليزرات على الحالة المثارة، ظهرت مجموعة مختلفة تماماً من أشعة غاما، دون أي إشارة من الحالة الأرضية. أثبت هذا الفصل النظيف أن الفريق يمكنه الآن دراسة تحلل هاتين الحالتين النوويتين بشكل مستقل، وهو أمر كان مستحيلاً في السابق بسبب اختلاط الإشارات. وقد حدد الباحثون أن النظام يمكنه إزالة النشاط الخلفي غير المرغوب فيه بكفاءة عالية، مما يسمح برؤية واضحة للبنية النووية.
يمثل هذا العمل خطوة كبيرة للأمام في دراسة النوى الغريبة. فمن خلال الجمع بين التنقية بالليزر ونظام الشريط المتحرك وجيل جديد من الكواشف، أنشأ الفريق أداة يمكنها عزل ومراقبة الحالات النووية بمستوى من النقاء كان بعيد المنال سابقاً. ويعني نجاح هذا التحديث أن العلماء يمكنهم الآن استقصاء خصائص النظائر قصيرة العمر التي كانت في السابق شديدة التلوث لدرجة تعذر دراستها. ويخطط الفريق لاستخدام هذه القدرة الجديدة لاستكشاف بنية النوى القريبة من 78Ni، وتحديداً 79Zn و80Ge، مما يأمل في تسليط الضوء على ظاهرة "تعايش الأشكال" (shape coexistence) في هذه المنطقة. إن القدرة على فصل هذه الحالات بوضوح تفتح الباب للإجابة على أسئلة طويلة الأمد حول شكل وسلوك النوى الذرية، مما يوفر صورة أوضح لللبنات الأساسية لكوننا.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.