Cold Hypersonic Gas Jets for Precision Laser Spectroscopy of Radioactive Molecules
تُبلّغ هذه الورقة عن أول تطبيق ناجح لنفاثات الغاز فائقة السرعة لتبريد جزيئات أكسيد الثوريوم المشع إلى درجات حرارة انتقالية ودورانية تبلغ حوالي 12.5 كلفن و7.2 كلفن، على التوالي، مما يُمكّن من إجراء مطيافية ليزر عالية الدقة تكشف عن حساسية معززة لنصف قطر الشحنة النووية وتتحقق من صحة الحسابات الجزيئية النسبية المتطورة.
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، حيث ترتبط البروتونات والنيوترونات معًا لتشكل النوى الذرية، يكمن عدم تماثل دقيق قد يعيد كتابة فهمنا للكون. لطال old الفيزيائيون يشتبهون منذ فترة طويلة في أن القوى الأساسية التي تحكم هذه الجسيمات قد لا تكون متماثلة تمامًا، وهو انتهاك يُعرف باسم انتهاك الشحنة والتكافؤ (charge-parity violation). وإذا وُجد مثل هذا الانتهاك، فسيظهر في شكل انفصال دائم وضئيل للشحنة الموجبة والسالبة داخل النواة نفسها، وهي خاصية تُسمى "عزم شيف النووي" (nuclear Schiff moment). إن اكتشاف هذا التأثير الضئيل أمر صعب للغاية لأن الإلكترونات المحيطة بالنواة عادة ما تحجبها عن الرؤية. ومع ذلك، فقد وضع العلماء نظرية مفادها أنه إذا تمكنوا من وضع هذه النوى داخل جزيئات معينة، فإن المجالات الكهربائية الداخلية للجزيء يمكن أن تضخم هذه الإشارة الخفية، مما يجعلها مرئية للأجهزة الحساسة. ولا يقتصر هذا البحث على البحث عن قوة جديدة فحسب؛ بل هو مسبار لفيزياء تقع خارج نموذجنا القياسي الحالي، مما قد يفسر سبب كون الكون مكونًا من المادة بدلاً من المادة المضادة. وللنجاح في ذلك، يجب على الباحثين دراسة هذه الجزيئات وهي شبه ساكنة، عبر تبريدها إلى درجات حرارة تزيد ببضع درجات فقط فوق الصفر المطلق لإزالة الضجيج الحراري الذي قد يغرق الإشارة.
لقد اتخذ فريق من الباحثين الآن خطوة حاسمة نحو هذا الهدف من خلال استعراض طريقة جديدة لإنشاء ودراسة هذه الجزيئات المشعة والباردة. ففي مختبر في بلجيكا، ركز العلماء على جزيئات مكونة من الثوريوم والأكسجين، وتحديدًا النسخ التي تحتوي على نظائر نادرة وقصيرة العمر من الثوريوم. كان التحدي الذي واجههم هو أخذ هدف من مادة صلبة، وتحويله إلى غاز من الجزيئات، ثم تبريد هذا الغاز بسرعة كبيرة بحيث تتوقف الجزيئات عن التذبذب والدوران العشوائي، لتستقر في حالة هادئة ويمكن التنبؤ بها. ولتحقيق ذلك، استخدموا تقنية تتضمن فوهة متخصصة، مشكلة على هيئة "فوهة دي لافال" (de Laval nozzle)، والتي تعمل على تسريع الغاز إلى سرعات فوق صوتية. وبينما يندفع الغاز عبر هذه الفوهة ويتمدد في الفراغ، فإنه يبرد بشكل كبير، تمامًا كما يشعر المرء ببرودة رذاذ الهواء المضغوط عندما يصطدم بجلده، ولكن على نطاق حيث تفقد الجزيئات نفسها معظم حرارتها الداخلية.
بدأ الباحثون بإنشاء تيار من جزيئات أكسيد الثوريوم. استخدموا ليزر عالي القدرة لضرب نقطة صغيرة على هدف مصنوع من الثوريوم، مما أدى إلى تبخير المادة وإرسال سحابة من الذرات والجزيئات الساخنة إلى غرفة مليئة بغاز الأرغون. ثم تم سحب هذه السحابة بواسطة تدفق مستمر من الأرغون نحو الفوهة. ومع مرور الخليط عبر الفوهة، أدى التمدد السريع إلى تبريد الجزيئات. استخدم الفريق بعد ذلك مجموعة ثانية من الليزرات لسبر أغوار الجزيئات، حيث سلطوا الضوء على ترددات محددة لمعرفة كيفية امتصاصها للطاقة. ومن خلال ضبط هذه الليزرات بعناية وقياس الإشارات الناتلة، تمكنوا من تحديد درجة حرارة الجزيئات بثلاث طرق مختلفة: سرعة حركتها للأمام، وسرعة دورانها، ومقدار اهتزازها.
كانت النتائج مذهلة. فقد تم تبريد الجزيئات إلى درجة حرارة انتقالية تبلغ حوالي 12.5 كلفن، أي ما يعادل 12.5 درجة فوق الصفر المطلق تقريبًا. والأكثر إثارة للإعجاب هو أن حركتها الدورانية، أو دورانها، قد بُردت إلى 7.2 كلفن فقط. هذا البرد الشديد يعني أن الجزيئات لم تكن تترنح بشكل فوضوي، بل كانت مصطفة بطريقة منظمة للغاية، مما سمح للباحثين برؤية خطوطها الطيفية بوضوح غير مسبوق. وبينما لم يتمكنوا من قياس درجة حرارة اهتزاز الجزيئات بدقة، وجدوا أن الجزيئات لم تكن تهتز في حالات مثارة، مما وضع حدًا أقصى لهذه الدرجة عند 250 كلفن. ويمثل هذا المستوى من التبريد تحسنًا كبيرًا عن الطرق السابقة، التي غالبًا ما كانت تترك الجزيئات ساخنة وفوضوية للغاية بحيث يصعب دراستها بالتفصيل.
بعد أن أصبحت الجزيئات هادئة وباردة، تمكن الفريق من قياس كيفية تغير مستويات طاقة الجزيئات عند استخدام نظائر مختلفة من الثوريوم. هذا التغير، المعروف باسم "انزياح النظائر" (isotope shift)، يحتوي على معلومات حول حجم وشكل النواة. ومن خلال مقارنة قياساتهم بالحسابات النظرية، وجد الباحثون أن الجزيئات كانت حساسة للغاية للتغيرات في نصف قطر الشحنة النووية. وقد حددوا عامل انزياح ميداني أكبر بكما مما يُرى في الذرات المنفردة، مما يؤكد أن الجزيئات يمكن أن تعمل بالفعل كمضخمات قوية لهذه التأثيرات النووية. وقد تطابقت البيانات التجريبية جيدًا مع عمليات المحاكاة الحاسوبية المعقدة التي أجراها الفريق، والتي استخدمت ميكانيكا الكم المتقدمة للتنبؤ بكيفية تفاعل الإلكترونات والنوى. وهذا الاتفاق بين القياسات الواقعية والنماذج النظرية يمنح العلماء الثقة في أن أدواتهم تعمل بشكل صحيح وأنهم على المسار الصحيح.
هذا العمل هو أكثر من مجرد نجاح تقني؛ فهو يفتح بابًا جديدًا لدراسة العناصر الأثقل في الجدول الدوري. إن القدرة على إنتاج وتبريد جزيئات مشعة مثل أكسيد الثوريوم تعني أن العلماء يمكنهم الآن تطبيق تقنيات الليزر الدقيقة هذه على نظائر أخرى قصيرة العمر كانت في السابق صعبة التعامل للغاية. ويخطط الباحثون لاستخدام هذه الطريقة لدراسة جزيئات أكثر غرابة، بما في ذلك الجزيئات التي قد تحتوي على النوبيليوم أو اللورنسيوم، وهي عناصر توجد للحظات فقط قبل أن تتحلل. ومن خلال إتقان فن تبريد هذه الجزيئات العابرة، وضع الفريق حجر الأساس لجيل جديد من التجارب التي قد تكشف أخيرًا عن انتهاكات التماثل الدقيقة المختبئة في أعماق النواة الذرية، مما يقربنا أكثر من فهم القواعد الأساسية التي تحكم كوننا.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.