Nadir İzotop Demetleri Tesisi (FRIB) öncülüğünde yürütülen araştırmada, bilim insanları çinko-70 çekirdeğinden yayılan ve uzun süredir kafa karıştıran düşük enerjili gama ışınlarının kaynağını tespit etti. Elde edilen sonuçlar, beklenmedik bu sinyalin çekirdek içinde gerçekleşen manyetik geçişlerden kaynaklandığını gösteriyor.
Bulgular, Nature dergisinde “70Zn'deki Düşük Enerji Artışının Manyetik Karakteri” başlığıyla yayımlandı. Bu çalışma, nükleer fizikteki uzun soluklu bir soruyu çözüme kavuştururken, uzayda ağır elementlerin nasıl oluştuğuna dair bilimsel modellerin geliştirilmesine de öncülük edebilir.
Araştırmada ABD, Kanada, İtalya, Almanya, Norveç ve Güney Kore'den 25 farklı kurumun yer aldığı uluslararası bir iş birliği yürütüldü.
Şaşırtıcı Bir Gama Işını Sinyali
Gama ışınları, görünür ışık ve radyo dalgalarıyla aynı elektromanyetik radyasyon ailesine ait. Uyarılmış bir atom çekirdeği daha düşük ve kararlı bir enerji seviyesine geçtiğinde, enerjisini gama ışınları şeklinde salabiliyor.
Bilim insanları, çekirdeklerin farklı enerji seviyelerinde gama ışını yayma sıklığını “gama ışını şiddet fonksiyonu” adı verilen bir ölçütle hesaplıyor.
Çekirdek enerji durumları arasındaki geçişler elektriksel veya manyetik olarak sınıflandırılıyor. Her iki tür de, proton ve nötronların gama ışını yaymadan önce çekirdek içinde yeniden düzenlenme biçimlerini yansıtıyor.
Onlarca yıldır bilim insanları, belirli çekirdeklerin yaydığı düşük enerjili gama ışını sayısındaki açıklanamayan artışı tespit ediyordu. “Düşük enerji artışı” (LEE) olarak adlandırılan bu durum gama ışını şiddet fonksiyonunda ortaya çıkıyordu, ancak araştırmacılar bugüne kadar bunun neyden kaynaklandığını belirleyememişti.
Deneyde Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı (LLNL) ve Los Alamos Ulusal Laboratuvarı (her ikisi de Ulusal Nükleer Güvenlik İdaresi yani NNSA laboratuvarları), Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı ve Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı gibi çeşitli ulusal laboratuvarlardan uzmanlar görev aldı.
Bu çalışma aynı zamanda FRIB'nin ulusal laboratuvarlarla olan daha geniş ortaklığını da yansıtıyor. İş birliği, temel araştırma ile ulusal güvenlik uygulamaları arasında bilgi alışverişini teşvik ederken, öğrencilere ve erken kariyer dönemindeki bilim insanlarına geleceğin nükleer iş gücünü destekleyecek pratik eğitimler sağlıyor.
Çalışmanın başyazarı ve eski bir FRIB yüksek lisans öğrencisi olan, şu anda İtalya'nın Padova kentindeki Ulusal Nükleer Fizik Enstitüsü'nde doktora sonrası araştırmacı olarak görev yapan Eleanor Ronning, “Bu düşük enerji artışı teori tarafından öngörülmemişti, bu yüzden ilk gözlemlendiğinde topluluk için adeta bir şok etkisi yarattı” dedi. Ronning, “LEE'nin nerede ortaya çıkacağını tahmin etmek zor; hangi çekirdeklerin bu özelliği göstereceğini bilmiyoruz” diye ekledi.
Yeni ölçümler, çekirdek içindeki manyetik geçişlerin bu artıştan sorumlu olduğuna dair güçlü kanıtlar sunuyor.
Çalışmanın ortak yürütücüsü, Ohio Üniversitesi'nde yardımcı doçent ve Edwards Hızlandırıcı Laboratuvarı'nın geçici direktörü Andrea Richard, “Bu, çok önemli bir adım” ifadelerini kullandı. Richard, “Artık deneysel gözlemleri teoriyle birleştiren tutarlı bir açıklamaya sahibiz” sözlerine ekledi.
Astrofizik İçin Neden Önemli?
LEE'nin açıklanması, çekirdeklerin iç yapısını anlamak için kritik öneme sahip ancak bu buluşun önemi nükleer fiziğin çok ötesine geçiyor.
Bu artış, nötron yakalama reaksiyonlarının sıklığını bilim insanlarının normalde tahmin ettiğinin ötesine taşıyabiliyor. Bu reaksiyonlar, süpernovalar ve nötron yıldızı birleşmeleri gibi aşırı kozmik olaylar sırasında ağır elementlerin üretilmesinde merkezi bir rol oynuyor.
Farklı çekirdeklerde LEE'nin birleşik etkileri, hesaplanan reaksiyon hızlarını önemli ölçüde değiştirebiliyor. Bu değişiklikler, yıldızların içindeki nükleer aktivite, nükleer enerji sistemleri ve NNSA'nın ulusal güvenlik uygulamalarına yönelik modelleri etkileyebiliyor.
Zayıf ve Ele Geçirilmesi Zor Bir Etkinin Ölçülmesi
LEE'yi incelemek son derece zordu çünkü bilim insanları nerede ortaya çıkacağını kolayca tahmin edemiyordu. Sinyali zayıftı ve arka plan gürültüsü içinde kaybolabiliyordu; bu da son derece hassas ekipmanlar ve gelişmiş analiz yöntemlerini zorunlu kılıyordu.
FRIB ve Michigan State Üniversitesi Fizik ve Astronomi Bölümü fizik profesörü Artemis Spyrou, “İş birliğimiz, on yılı aşkın süredir gama ışını emisyonundaki bu düşük enerji artışının doğasını belirlemenin yollarını arıyordu” dedi. Spyrou, “Bu sonuç, ancak başladığımız dönemde var olmayan yeni deneysel yeteneklerin ve yeni analiz tekniklerinin geliştirilmesi sayesinde mümkün oldu” diye konuştu.
FRIB kimya profesörü, MSU Kimya Bölümü'nün geçici başkanı ve Ronning'in yüksek lisans danışmanı Sean Liddick, çalışmanın yalnızca FRIB'de mevcut olan deneysel kaynaklara bağlı olduğunu vurguladı.
Liddick, “Tüm tesisi etkili bir şekilde kullanan bir şekilde özel cihazları birleştiren yeni bir deneysel teknik kullandık” dedi ve “Bu çabanın bu kadar net bir sonuca yol açtığını görmek heyecan verici” sözlerini ekledi.
Çinko-70'e Giden İki Yol
Araştırmacılar, düşük enerji artışını gösterdiğine inanılan ve enerji seviyelerinin düzenlenmesi zaten iyi anlaşılmış bir çekirdek olan çinko-70'e odaklandı. Çinko-70'i doğrudan incelemek yerine, ebeveyn çekirdeği bakır-70'in iki ayrı durumunun beta bozunumunu incelediler.
Ekip, bakır-70'i iki formda izole etti: temel durumu ve uyarılmış (izomerik) durumu. Bu iki durum, çinko-70'e giden ayrı yollar sağladı.
Her yol, çinko-70 içinde farklı bir enerji seviyesi kombinasyonunu doldurdu ve araştırmacıların nükleer yapısını iki tamamlayıcı perspektiften gözlemlemesine olanak tanıdı.
İki yolu üretmek, her iki bakır-70 durumunun da olağanüstü saf demetlerini gerektiriyordu. Araştırmacılar bunları, yüksek hassasiyetli bir kütle spektrometresi olan FRIB'nin Düşük Enerji Demeti ve İyon Tuzağı (LEBIT) cihazıyla oluşturdu.
FRIB fizik doçenti ve LEBIT grup lideri Ryan Ringle, “LEBIT'i bu şekilde ilk kez kullandık” dedi. Ringle, “Üzerinde çalışması ilginç bir meydan okumaydı ve grubumuzun yüksek lisans öğrencileri için ek eğitim fırsatları sağladı. İzomer ayırma için bu yeni teknik, çok daha fazla çekirdeği incelemenin kapısını aralıyor ve bu alandaki yeteneklerimizi genişletmek için teknik gelişimleri teşvik ediyor” diye konuştu.
Manyetik Geçişler Cevabı Ortaya Çıkarıyor
Çinko-70 tarafından yayılan gama ışınları, Summing NaI (SuN) dedektörü ile kaydedildi. Araştırmacılar daha sonra her bir başlangıç durumuyla ilişkili gama ışını şiddet fonksiyonunu belirlemek için beta-Oslo yöntemi ve Şekil (Shape) yöntemi olmak üzere iki analitik yaklaşım kullandı.
İki şiddet fonksiyonunun karşılaştırılması, ekibe çekirdek içindeki manyetik geçişlerin düşük enerji artışını ürettiğini kesin olarak belirleme imkânı verdi.
Bu sonuç, nükleer teorisyenlere yeni bir deneysel kıyaslama noktası sunuyor ve olguyu ek çekirdeklerde araştırmak için bir strateji sağlıyor.
Liddick, “Bu ayrılmış izomerler tekniğini daha fazla çekirdeğe uygulamak için sabırsızlanıyoruz” dedi. “Hangi çekirdeklerin bu düşük enerji artışını göstermesi gerektiğini bilmek, FRIB gibi tesislerde onları araştırmak için deneyler tasarlamak ve astrofiziksel ortamlarda elementlerin nasıl oluşturulduğuna dair modelleri geliştirmek açısından çok önemli.”
Geleceğin Nükleer Bilim İnsanlarını Yetiştirmek
Proje aynı zamanda kurumlar, deneyimli araştırmacılar, öğrenciler ve doktora sonrası bursiyerler arasındaki iş birliğinin değerini de gözler önüne seriyor.
Ronning ve Richard, FRIB'nin Program Danışma Komitesi tarafından yapılan ikinci teklif çağrısı sırasında deneysel teklifi yazmaya yardımcı oldu. İkisi de o zamanlar kariyerlerinin başındaydı. Ronning FRIB'de yüksek lisans öğrencisiyken, Richard LLNL'de doktora sonrası bursiyerdi.
MSU'daki ilk doktora sonrası pozisyonunu tamamladıktan sonra nükleer astrofizik ve ulusal güvenlik alanında çalışan Richard, temel bilimleri NNSA'nın misyon hedefleriyle bağdaştıran fırsatları değerlendirdi. Bu yol, onu LLNL'de başka bir doktora sonrası pozisyonuna taşıdı.
Şu anda Ohio Üniversitesi'nde bulunan Richard, hem temel araştırmalara hem de ulusal güvenlik çalışmalarına katkıda bulunmaya devam ediyor.
