Nükleer fizik: Karanlık bir gücün arayışı

Karanlık bir gücün arayışında

Atom ve nükleer fiziğin iki farklı ölçüm yönteminin atom çekirdeğinin yapısına ilişkin yeni hesaplamalarla birleştirilmesiyle, bir atomun elektron kabuğunun ölçümlerinin atom çekirdeğinin deformasyonu hakkında bilgi sağlayabileceği gösterilmiştir. Aynı zamanda, bu hassas ölçümler olası bir karanlık kuvvetin gücü için yeni sınırlar belirlemiştir.

Çeşitli izotoplar arasındaki farklara yeni bir bakış ve "karanlık güç" için yeni sınırlar. [ Daha büyük resmi görüntüle ]

Yaklaşık bir asırdır yapılan ölçümler, evrendeki maddenin önemli bir kısmının, görünür maddeyle kütleçekim yoluyla etkileşime giren bilinmeyen karanlık maddeden oluştuğunu gösteriyor. Görünür madde ile karanlık madde arasında "iletişim kurabilen" yeni, sözde "karanlık kuvvetler" olup olmadığı ise belirsizliğini koruyor. Bu kuvvetlerin, artık yüksek hassasiyetle incelenebilen atomlar üzerinde de etkili olması gerekiyor. Braunschweig'deki Fizik-Teknik Federal Enstitüsü'nden (PTB) Tanja Mehlstäubler, "Özellikle, izotoplardaki elektronik rezonansların kaymasını ölçmek, nükleer ve elektronik yapı arasındaki etkileşimi aydınlatmak için oldukça etkili bir yöntemdir," diye açıklıyor.

İzotoplar, bir atomun yalnızca çekirdeğindeki nötron sayısı bakımından farklılık gösteren farklı varyantlarıdır. 2020 yılında, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'ndeki bir ekip, iterbiyum elementindeki bu tür izotopik kaymaları araştırırken, beklenen sonuçtan bir sapma, yani doğrusal olmayan bir durum keşfetti. Bu, atom fiziği dünyasında büyük bir karışıklığa yol açtı: Bu anomali, yeni bir "karanlık kuvvetin" ilk kanıtı olabilir mi, yoksa atom çekirdeğinin özelliklerinden mi kaynaklanıyor? Atom fizikçileri, farklı izotoplarda ölçülen elektron geçiş frekanslarını karşılaştırarak nükleer fiziğe mi girdiler?

Bu sorudan ilham alan Heidelberg'deki Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü'nden (MPIK) Mehlstäubler ve Klaus Blaum, iterbiyum izotop kaymalarını araştırmaya koyuldular. Araştırma ekipleri, iterbiyum izotoplarının atomik geçiş frekansları ve izotopik kütle oranlarının son derece hassas ölçümlerini gerçekleştirdi. PTB'de (Alman Ulusal Metroloji Enstitüsü) optik spektroskopi, doğrusal yüksek frekanslı iyon tuzağı ve ultra yüksek kararlılığa sahip lazer sistemleri kullanılarak gerçekleştirildi. MPIK'de ise izotopik kütle oranları, Penning tuzağı kütle spektrometresi PENTATRAP kullanılarak belirlendi. Her iki ölçüm de, bu türdeki önceki ölçümlerden yüz kata kadar daha hassastı. Araştırmacılar anomaliyi doğruladı.

Ekip, bu olguları TU Darmstadt'taki Achim Schwenk grubunun yeni nükleer teorik hesaplamaları kullanarak açıklayabildi ve Heidelberg'deki MPIK ve Sidney'deki New South Wales Üniversitesi'ndeki teorik atom fizikçileri ve Hannover Leibniz Üniversitesi'nden parçacık fizikçileriyle birlikte karanlık kuvvetlerin varlığına dair yeni bir sınır belirledi. Bu verilerle uluslararası iş birliği, iterbiyum izotop zinciri boyunca atom çekirdeğinin deformasyonuna doğrudan ışık tutmayı bile başardı.

Bu, ağır atom çekirdeklerinin yapısı ve nötron yıldızlarının anlaşılmasının temelini oluşturan nötron zengini madde fiziği hakkında yeni bilgiler sağlayabilir. Ekip, bu araştırmanın, yeni fizik arayışında ve maddenin yapısını belirleyen karmaşık olguların daha iyi anlaşılmasında atom, nükleer ve parçacık fiziği alanlarında yeni iş birliği fırsatları yaratacağına inanıyor.

Sonuçlar yakın zamanda Physical Review Letters dergisinde yayımlandı.