Οι πυρήνες έχουν «μνήμη» – Οι φυσικοί ανακάλυψαν κάτι που θεωρούσαν αδύνατον

 Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Τέξας πραγματοποίησαν σπάνιες μετρήσεις ενός εξωτικού τύπου πυρηνικής διάσπασης, οι οποίες αναδιαμορφώνουν τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες αντιλαμβάνονται τον σχηματισμό βαρέων στοιχείων σε ακραία κοσμικά γεγονότα.

Δεν μπορεί να υπάρξει χρυσός χωρίς τη διάσπαση ενός ατομικού πυρήνα — όμως οι λεπτομέρειες πίσω από αυτή τη μετατροπή ήταν για χρόνια εξαιρετικά δύσκολο να επιβεβαιωθούν. Τώρα, ερευνητές πυρηνικής φυσικής στο UT δημοσίευσαν τρία βασικά ευρήματα σε μία μόνο μελέτη, τα οποία διασαφηνίζουν σημαντικές πτυχές αυτής της διαδικασίας. Η εργασία τους προσφέρει νέα κατεύθυνση για την ανάπτυξη μοντέλων που εξηγούν πώς τα άστρα δημιουργούν βαρέα στοιχεία και μπορεί να βελτιώσει τις προβλέψεις σχετικά με τη συμπεριφορά εξωτικών, βραχύβιων πυρήνων που υπάρχουν στο σύμπαν.

Η φυσική του χρυσού

Στοιχεία όπως ο χρυσός και η πλατίνα σχηματίζονται μόνο σε περιβάλλοντα με ακραία ενέργεια, συμπεριλαμβανομένων των άστρων που καταρρέουν, των εκρηκτικών αστρικών γεγονότων ή των συγκρούσεων μεταξύ πυκνών υπολειμμάτων.  Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ταχείας σύλληψης νετρονίων (ή εν συντομία r-process), ένας ατομικός πυρήνας απορροφά νετρόνια τόσο γρήγορα που γίνεται ασυνήθιστα βαρύς και τελικά διασπάται σε πιο σταθερές μορφές. Καθώς κινείται κατά μήκος του χάρτη των νουκλιδίων, αυτή η διαδρομή του r-process, διέρχεται από περιοχές όπου η κυρίαρχη συμπεριφορά είναι η διάσπαση βήτα του αρχικού πυρήνα, ακολουθούμενη από την απελευθέρωση δύο νετρονίων.  Επειδή αυτοί οι πυρήνες είναι εξαιρετικά δύσκολο (και σε ορισμένες περιπτώσεις αδύνατο) να δημιουργηθούν και να μετρηθούν απευθείας, οι επιστήμονες βασίζονται σε θεωρητικά μοντέλα που πρέπει να επαληθευτούν μέσω προσεκτικά ελεγχόμενων πειραμάτων.

Για να αποκτήσουν σαφέστερη εικόνα αυτής της ακολουθίας γεγονότων, μια ομάδα από τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του UT Peter Dyszel και Jacob Gouge, τον καθηγητή Robert Grzywacz, τον αναπληρωτή καθηγητή Miguel Madurga και την ερευνήτρια Monika Piersa-Silkowska συνεργάστηκε με ερευνητές από διάφορα ιδρύματα. Χρησιμοποιώντας τεχνικές ανάλυσης δεδομένων που αναπτύχθηκαν από τον βοηθό ερευνητή καθηγητή Zhengyu Xu, εστίασαν την εργασία τους σε μεγάλες ποσότητες ινδίου-134.

«Αυτοί οι πυρήνες είναι δύσκολο να παραχθούν και απαιτούν πολλή νέα τεχνολογία για να συντεθούν σε επαρκείς ποσότητες», εξήγησε ο Grzywacz.

Ο Σταθμός Διασπάσεων ISOLDE (ISOLDE Decay Station) στο CERN ανταποκρίθηκε στην πρόκληση παρέχοντας άφθονους πυρήνες ινδίου-134, καθώς και εξελιγμένη τεχνολογία διαχωρισμού με λέιζερ για να διασφαλίσει η καθαρότητά τους. Όταν το ίνδιο-134 διασπάται, δημιουργεί διεγερμένες καταστάσεις σε κασσίτερο-134, κασσίτερο-133 και κασσίτερο-132. Χρησιμοποιώντας έναν ανιχνευτή νετρονίων που χρηματοδοτήθηκε από το πρόγραμμα Major Research Instrumentation του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών (National Science Foundation) και κατασκευάστηκε στο UT, οι επιστήμονες πραγματοποίησαν τρεις σημαντικές ανακαλύψεις.

Στην κορυφή της λίστας, έκαναν την πρώτη μέτρηση των ενεργειών νετρονίων για την εκπομπή δύο νετρονίων που καθυστερείται από βήτα διάσπαση. «Η εκπομπή των δύο νετρονίων είναι το σημαντικότερο εύρημα», δήλωσε ο Grzywacz.

Η εκπομπή δύο νετρονίων που καθυστερείται από βήτα διάσπαση συμβαίνει μόνο σε εξωτικούς πυρήνες, σε αυτούς δηλαδή που έχουν μικρή διάρκεια ζωής και είναι ασταθείς. Η ενέργεια διαχωρισμού των δύο νετρονίων είναι πολύ μικρή, αλλά σε αυτό το πείραμα ήταν αρκετή για να μετρηθεί. «Ο λόγος που αυτό είναι δύσκολο είναι επειδή τα νετρόνια  αναπηδούν τριγύρω. Είναι δύσκολο να καταλάβεις αν είναι ένα ή δύο», εξήγησε ο Grzywacz. Σε προηγούμενες προσπάθειες, «κανείς δεν μέτρησε ενέργειες», οπότε αυτή η προσέγγιση «ανοίγει ένα εντελώς νέο πεδίο».

Αυτή είναι η πρώτη μελέτη που αναλύει λεπτομερώς την εκπομπή δύο νετρονίων για έναν πυρήνα που ακολουθεί τη διαδρομή της διεργασίας-r (r-process), ανοίγοντας τον δρόμο για σαφέστερα μοντέλα σχετικά με τον τρόπο που αστρικά γεγονότα μπορούν να δημιουργήσουν στοιχεία όπως ο χρυσός.

Ο μεταπτυχιακός φοιτητής του Πανεπιστημίου του Τενεσί, Peter Dyszel. Φωτογραφία: Πανεπιστήμιο του Τενεσί

Ο κασσίτερος δεν ξεχνά ποτέ

Μια δεύτερη ανακάλυψη ήταν η πρώτη παρατήρηση μιας από καιρό αναζητούμενης κατάστασης νετρονίου ενός σωματιδίου στον κασσίτερο-133. Ο Grzywacz εξήγησε ότι «ο κασσίτερος βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση. (Πρέπει να) κρυώσει. Μπορεί να εκτοξεύσει ένα νετρόνιο, ή, αν έχει αρκετή ενέργεια, μπορεί να εκτοξεύσει δύο νετρόνια. Θα έπρεπε πάντα να εκτοξεύει δύο νετρόνια, αλλά δεν το κάνει».

Είπε ότι η παραδοσιακή άποψη είναι πως ο κασσίτερος «βράζει» και αποβάλλει νετρόνια για να κρυώσει, με αποτέλεσμα να γίνεται «ένας πυρήνας με αμνησία», χωρίς καμία μνήμη της βήτα διάσπασης. «Εμείς λέμε ότι ο κασσίτερος δεν ξεχνάει», δήλωσε ο Grzywacz. «Αυτή η ‘σκιά’ του ινδίου δεν εξαφανίζεται εντελώς. Η μνήμη δεν διαγράφεται».

Σε αυτό το πείραμα, οι υπερσύγχρονοι ανιχνευτές νετρονίων αναγνώρισαν αυτή τη δυσπρόσιτη κατάσταση, υποδεικνύοντας ότι απαιτείται ένα καλύτερο θεωρητικό πλαίσιο για να κατανοηθεί γιατί μερικές φορές εκπέμπεται ένα νετρόνιο και μερικές φορές δύο.
«Οι άνθρωποι την αναζητούσαν για 20 χρόνια και εμείς τη βρήκαμε», είπε ο Grzywacz. «Αυτά τα δύο νετρόνια μάς επέτρεψαν να δούμε αυτή την κατάσταση».

Εξήγησε ότι αυτή η νεοπαρατηρηθείσα κατάσταση είναι ένα ενδιάμεσο βήμα στη διαδικασία εκπομπής δύο νετρονίων.  Είναι επίσης η τελευταία στοιχειώδης διέγερση στον πυρήνα του κασσίτερου-133, ολοκληρώνοντας την εικόνα και βοηθώντας να γίνουν οι υπολογισμοί πιο ακριβείς. Οι καλύτεροι υπολογισμοί και η μοντελοποίηση συνδέονται με την τρίτη ανακάλυψη που έφερε στο φως αυτή η έρευνα — την παρατήρηση ενός μη στατιστικού πληθυσμού αυτής της νεοπαρατηρηθείσας κατάστασης.

Ο Grzywacz εξήγησε ότι η διαδικασία διάσπασης είναι σχετικά καθαρή, οπότε όλα είναι ξεχωριστά χωρίς γειτονικές καταστάσεις. «Δεν φτιάχνεις σούπα με διαχωρισμένα μπιζέλια», είπε. «Ωστόσο, στις περισσότερες περιπτώσεις, συμπεριφέρεται σαν σούπα με διαχωρισμένα μπιζέλια. Κατά κάποιο τρόπο, αυτός ο στατιστικός μηχανισμός συμβαίνει. Γιατί είναι στατιστικός, παρόλο που δεν θα έπρεπε να είναι και γιατί στη δική μας περίπτωση δεν είναι;»

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι καθώς ταξιδεύετε σε ολόκληρο το πυρηνικό τοπίο, μακρύτερα από τη σταθερότητα και στη σφαίρα των εξωτικών πυρήνων όπως το Τεννέσσιο (Tennessine), τα παλιά μοντέλα δεν επαρκούν και χρειάζονται νέα.

Ακολουθώντας την περιέργεια

Η ανάγκη για νέα μοντέλα που να εξηγούν την προέλευση και τη δομή των πυρήνων παρουσιάζει μια τεράστια ευκαιρία για μεταπτυχιακούς φοιτητές όπως ο Dyszel.  Εντάχθηκε στην ομάδα του Grzywacz το 2022 και ήταν ο πρώτος συγγραφέας στην εργασία του περιοδικού Physical Review Letters που περιέγραφε τις τρεις ανακαλύψεις.

Η λίστα εργασιών του σε αυτό το πείραμα ήταν μακρά, από την κατασκευή φυσικών εξαρτημάτων μέχρι την ερμηνεία των αποτελεσμάτων.  Κατασκεύασε πλαίσια για τους ανιχνευτές παρακολούθησης νετρονίων και τους συναρμολόγησε στη διάταξη του πειράματος. Έστησε τα απαιτούμενα ηλεκτρονικά και έφτιαξε ανιχνευτές βήτα.  Πραγματοποίησε δοκιμαστικές μετρήσεις, βοήθησε με το λογισμικό για τη συλλογή δεδομένων, έκανε διορθώσεις για βέλτιστη χρονική ανάλυση και ανέλυσε τα πειραματικά δεδομένα.

Παρ’ όλα αυτά, η δουλειά του Dyszel ήταν ακόμα μέρος μιας προσπάθειας πολλών ατόμων.  «Η επιτυχία αυτής της εργασίας οφείλεται εν μέρει στους συναδέλφους και τους συνεργάτες μου, των οποίων η καθοδήγηση και η εποικοδομητική συμβολή ήταν κρίσιμες», είπε.

Ο Dyszel, που κατάγεται από το Τζάκσονβιλ της Φλόριντα, πήγε στο Πανεπιστήμιο του Τενεσί μετά την ολοκλήρωση του πτυχίου φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Βόρειας Φλόριντα.  Ο δρόμος του προς τη συγγραφή στο PRL (Physical Review Letters) ξεκίνησε στην πραγματικότητα σε ένα μάθημα γενικής χημείας όταν έμαθε για πρώτη φορά για τη βήτα διάσπαση.

Γοητευμένος από τη σκέψη ότι οι πυρηνικοί μετασχηματισμοί θα μπορούσαν να δημιουργήσουν στοιχεία με ένα εντελώς διαφορετικό σύνολο ιδιοτήτων, σκέφτηκε να ακολουθήσει πτυχίο χημείας.  «Μόλις ξεκίνησα το πτυχίο μου πάτησα το πόδι μου σε μάθημα φυσικής, κάτι που με οδήγησε αμέσως στο πτυχίο της φυσικής», εξήγησε. «Πάντα με ενδιέφερε να κατανοήσω πώς λειτουργεί ο κόσμος, και η φυσική ήταν, και συνεχίζει να είναι, το μονοπάτι που θέλω να ακολουθήσω στην επιδίωξη αυτής της περιέργειας».