Credit: MPIK / PTB / Brookhaven National Laboratory
تم استخدام مصائد الأيونات PTB (أعلى اليمين) ومقياس كتلة مصيدة PENTATRAP Penning في MPIK في هايدلبرغ (أسفل اليسار) للحصول على رؤية جديدة للاختلافات بين النظائر وحدود جديدة لـ "القوة المظلمة".
عندما تتحد فرق رائدة عالميًا، فمن المؤكد أن يتم التوصل إلى نتائج جديدة. وهذا ما حدث عندما قام علماء الفيزياء الكمومية من المعهد الفيدرالي للفيزياء التقنية (PTB) ومعهد ماكس بلانك للفيزياء النووية (MPIK) في هايدلبيرج بالجمع بين الفيزياء الذرية والنووية بدقة غير مسبوقة باستخدام طريقتين مختلفتين للقياس.
وبفضل الحسابات الجديدة لبنية النوى الذرية، تمكن علماء الفيزياء النظرية من الجامعة التقنية في دارمشتات وجامعة لايبنتز في هانوفر من إثبات أن القياسات على غلاف الإلكترون في الذرة يمكن أن توفر معلومات حول تشوه النواة الذرية. وفي الوقت نفسه، وضعت القياسات الدقيقة حدودًا جديدة فيما يتعلق بقوة القوة المظلمة المحتملة بين النيوترونات والإلكترونات.
منذ ما يقرب من قرن من الزمان، أشارت القياسات إلى أن نسبة كبيرة من المادة في الكون تتكون من مادة مظلمة غير معروفة، تتفاعل مع المادة المرئية من خلال الجاذبية. ومن غير الواضح ما إذا كانت هناك أيضًا ما يسمى "القوى المظلمة" الجديدة التي يمكنها "التواصل" مع المادة المرئية والمادة المظلمة.
وينبغي أن تعمل مثل هذه القوى أيضًا على الذرات، والتي يمكن تحليلها بدقة عالية في الوقت الحاضر. تشرح تانيا ميلشتاوبلر: "إن قياس التحول في الرنينات الإلكترونية في النظائر هو طريقة قوية بشكل خاص لإلقاء الضوء على التفاعل بين البنية النووية والإلكترونية". النظائر هي أشكال مختلفة من عنصر ذري تختلف فقط في عدد النيوترونات في النواة.
في عام 2020، اكتشف فريق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا انحرافًا عن النتيجة المتوقعة - عدم الخطية - أثناء فحص مثل هذه التحولات النظيرية في عنصر الإيتربيوم. لقد أثار هذا الأمر حيرة علماء الفيزياء الذرية: فهل يمكن أن تكون هذه الشذوذ أول دليل على وجود "قوة مظلمة" جديدة أم أنها ترجع إلى خصائص النواة الذرية؟ وهل دخل علماء الفيزياء الذرية إلى الفيزياء النووية من الباب الخلفي من خلال مقارنة ترددات انتقال الإلكترونات المقاسة في نظائر مختلفة؟
بناءً على هذا السؤال، انطلقت تانيا ميلشتاوبلر من معهد PTB في براونشفايغ وكلاوس بلوم من معهد MPIK في هايدلبرغ للتحقيق في تحولات نظائر الإيتربيوم. أجرت فرق البحث الخاصة بهم قياسات عالية الدقة لترددات الانتقال الذري ونسب كتلة النظائر لنظائر الإيتربيوم. تم استخدام مصائد الأيونات الخطية عالية التردد وأنظمة الليزر فائقة الاستقرار للتحليل الطيفي البصري في معهد PTB.
في معهد MPIK، تم تحديد نسب كتلة النظائر في مطياف الكتلة PENTATRAP Penning trap. كانت كلتا القياسات أكثر دقة بما يصل إلى مائة مرة من القياسات السابقة من هذا النوع.
أكد الباحثون الشذوذ، وتمكن الفريق من تقديم تفسير بمساعدة حسابات النظرية النووية الجديدة التي أجراها فريق Achim Schwenk في جامعة دارمشتات للتكنولوجيا. وبالتعاون مع علماء الفيزياء الذرية النظرية من معهد MPIK في هايدلبيرج وجامعة نيو ساوث ويلز في سيدني بالإضافة إلى علماء فيزياء الجسيمات من جامعة لايبنيز هانوفر، تمكنوا من وضع حد جديد لوجود القوى المظلمة.
تمكن فريق التعاون الدولي من استخدام هذه البيانات للحصول على معلومات مباشرة حول تشوه النواة الذرية على طول سلسلة نظائر الإيتربيوم. يمكن أن يوفر هذا رؤى جديدة حول بنية النوى الذرية الثقيلة وفيزياء المادة الغنية بالنيوترونات، والتي تشكل الأساس لفهم النجوم النيوترونية.
يفتح هذا البحث فرصًا جديدة للفيزياء الذرية والنووية والجسيمية للتعاون في البحث عن فيزياء جديدة والحصول على فهم أفضل للظواهر المعقدة التي تحدد بنية المادة.
المصدر: