کشف ایزوتوپ جدید نیتروژن

به گزارش مجله خبری نگار،این ایزوتوپ که نیتروژن-۹ نام دارد، حاوی هفت پروتون و دو نوترون است و فقط یک میلیاردم نانوثانیه وجود دارد.

فیزیک کاملا جدید

نسبت ذرات زیراتمی که از آن به عنوان هسته زودگذر یاد می‌شود، آنقدر نامتوازن است که به همان سرعتی که شکل می‌گیرد از هم می‌پاشد. اگر بتوانیم بفهمیم که در مورد هسته‌های کوتاه‌مدت مانند نیتروژن-۹ چه اتفاقی می‌افتد، دانشمندان امیدوارند که بتوانیم درک فعلی خود از نظریه هسته‌ای را گسترش دهیم. حتی می‌تواند راه‌های جدیدی را برای مطالعه و درک مکانیک کوانتومی باز کند.

کیت جونز، فیزیکدان هسته‌ای در دانشگاه تنسی، به ساینس گفت: هم از نظر تجربی و هم از نظر تئوری، این فقط یک انعطاف است. الکساندر وولیا، یک فیزیکدان هسته‌ای نظری در دانشگاه ایالتی فلوریدا، افزود: نیتروژن-۹ یک مثال ناتعارف از یک هسته نامقید است که برای جدا شدن انرژی نمی‌گیرد. او می‌گوید که چنین هسته‌هایی مرز‌های تئوری را جابجا می‌کنند. این فیزیک کاملاً جدیدی است که باید مورد توجه قرار گیرد.

در حال حاضر، برای همه نظریه‌ها غیرممکن است که حضور، ساختار و عملکرد هسته‌های اتمی را به طور دقیق پیش بینی کند. پیچیدگی هسته‌ها آنقدر زیاد است که فقط ساده‌ترین آن‌ها را می‌توان با مدل‌هایی توضیح داد که از پروتون‌ها و نوترون‌ها به‌عنوان پایه خود استفاده می‌کنند و نحوه تعامل آن‌ها از طریق نیروی هسته‌ای قوی در نظر گرفته میشود. حتی در این موارد، هنگام توصیف هسته‌های سبک‌تر که تعداد پروتون‌ها از تعداد نوترون‌ها بسیار بیشتر است یا برعکس، مسائلی به وجود می‌آیند مانند وجود نیتروژن-۹.

فیزیکدانان پشت این کشف هیجان انگیز از دانشگاه ایالتی میشیگان، نیتروژن-۹ را از طریق یک فرآیند منحصر به فرد ایجاد کردند. آن‌ها پرتوی از هسته‌های اکسیژن ۱۳ را از طریق یک هدف بریلیوم به ضخامت ۱ میلی متر شلیک کردند و هسته‌های اکسیژن را به قطعات تقسیم کردند. دانشمندان سپس باقی مانده‌های هسته‌ای را غربال کردند تا ببینند چه چیزی می‌توانند پیدا کنند. از آنجایی که نیتروژن-۹ یک هسته معمولی نیست و خیلی سریع متلاشی می‌شود با استفاده از طیف سنج جرمی فیلتر نمی‌شود و روش جدیدی برای یافتن آن مورد نیاز بود.

بنابراین، کمی تفکر جانبی لازم بود. برای این منظور، رابرت چاریتی، دانشمند هسته‌ای از دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، و همکارانش این ذرات گریزان را با شناسایی ترکیبات حاصل از فروپاشی آن‌ها شناسایی کردند. آن‌ها با استفاده از یک آشکارساز که تکانه و انرژی تمام اجزا هسته‌ای هدف را اندازه‌گیری می‌کرد، به جستجوی رویداد‌هایی پرداختند که همان ترکیباتی را که از تجزیه نیتروژن ۹ انتظار می‌رفت تولید می‌کردند. پنج پروتون و یک ذره آلفا (دو پروتون متصل به دو نوترون). با تجزیه و تحلیل حرکت و انرژی این ذرات، فیزیکدانان می‌توانند جرم هسته مادر خود را تعیین کنند که در این مورد نیتروژن-۹ است.

اما چگونه می‌توانستند مطمئن شوند که کشف آن‌ها فقط یک اتفاق نبوده است؟ خوب، همانطور که تیم توضیح داد، اگر پروتون‌ها و ذرات آلفا باقی مانده‌های تصادفی باشند، نمودار جرم مادر پس از بسیاری از رویداد‌ها باید فاقد هرگونه ویژگی متمایز است. با این حال، اگر آن ذرات از نیتروژن-۹ فروپاشی آمده باشند، نمودار یک اوج واضح در جرم نیتروژن-۹ را نشان می‌دهد؛ و این دقیقاً همان چیزی است که آن‌ها دیدند. چاریتی و همکارانش این اوج را پس از شلیک ۴۰ میلیارد هسته اکسیژن-۱۳ از طریق هدف مشاهده کردند و تنها چند صد هسته نیتروژن-۹ تولید کردند. این تکنیک به طور گسترده در فیزیک ذرات از جمله کشف بوزون هیگز استفاده شده است.

افق‌های جدید و جذاب
ولیا توضیح داد: هسته‌های نامقید مانند نیتروژن-۹ در خط مقدم نظریه هسته‌ای قرار دارند. آن‌ها نمونه‌ای از یک سیستم کوانتومی باز هستند که به شدت با محیط خود تعامل دارد، مانند سیستم‌های بیوشیمیایی و کامپیوتر‌های کوانتومی. ولیا معتقد است که دانش به دست آمده از مطالعه هسته‌های نامقید، مانند نیتروژن-۹، ممکن است پیامد‌های مهمی برای مکانیک کوانتومی و سایر زمینه‌های فیزیک داشته باشد.

این مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.