محققان Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) آلمان و Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) با همکاری متخصصان Technical University of Darmstadt and Leibniz University Hannover، رابطه بین ساختار اتمی و ویژگی‌های هسته‌ای را بررسی کرده‌اند.

یافته‌های آن‌ها که اخیراً در مجله Physical Review Letters منتشر شده است، محدودیت‌های جدیدی نیز برای وجود احتمالی نیروهای مرموز «تاریک» که ممکن است بر ماده تأثیر بگذارند، تعیین کرده است.

برای نزدیک به یک قرن، دانشمندان گمان می‌کردند که بخش عمده‌ای از جهان از ماده تاریک ساخته شده است — ماده‌ای نامرئی که از طریق گرانش با ماده معمولی تعامل دارد.

برخی از محققان معتقدند که نیروهای ناشناخته «تاریک» نیز ممکن است در حال فعالیت باشند و بر هر دو ماده مرئی و تاریک تأثیر بگذارند. اگر چنین نیروهایی وجود داشته باشند، می‌توانند بر ساختار اتم‌ها تأثیر بگذارند و اندازه‌گیری‌های دقیق را به ابزاری مهم در جستجوی فیزیک جدید تبدیل کنند.

بررسی یک ناهنجاری مرموز

این پژوهش جدید بر اساس کشفی غیرمعمول در سال ۲۰۲۰ توسط تیمی از Massachusetts Institute of Technology (MIT) انجام شده است. هنگام مطالعه نسخه‌های مختلف (ایزوتوپ‌های) عنصر ایتربیوم، محققان MIT تغییر شگفت‌انگیزی در رفتار الکترون‌ها مشاهده کردند.

این تغییر از الگوهای مورد انتظار پیروی نمی‌کرد و دانشمندان را به این فکر واداشت که آیا این پدیده ناشی از یک نیروی جدید طبیعت است یا ویژگی‌ای کشف‌نشده از هسته‌های اتمی.

برای بررسی بیشتر، فیزیک‌دانان PTB و MPIK آزمایش‌هایی بسیار دقیق روی ایزوتوپ‌های ایتربیوم انجام دادند. آن‌ها تفاوت‌های کوچک در فرکانس‌های انتقال الکترون‌ها را با استفاده از طیف‌سنجی نوری پیشرفته در PTB اندازه‌گیری کردند.

در همان زمان، دانشمندان MPIK نسبت جرم ایزوتوپ‌ها را با استفاده از طیف‌سنج جرمی با دقت بالا PENTATRAP تعیین کردند. این اندازه‌گیری‌ها تا ۱۰۰ برابر دقیق‌تر از مطالعات قبلی بودند.

نتایج، ناهنجاری اولیه را تأیید کرد، اما به لطف محاسبات جدید نظریه هسته‌ای از محققان دانشگاه فنی دارمشتات، تیم توانست آن را توضیح دهد. به جای اشاره به یک نیروی تاریک جدید، این ناهنجاری به تغییرات ظریف در شکل هسته‌های اتمی مرتبط بود.

به عبارت دیگر، تغییر شکل هسته ایتربیوم به گونه‌ای بر رفتار الکترون‌ها تأثیر می‌گذاشت که پیش از این به طور کامل درک نشده بود.

بینش‌های جدید درباره هسته‌های اتمی و ماده تاریک

با تحلیل داده‌ها، دانشمندان محدودیت‌های جدیدی نیز برای وجود احتمالی نیروهای تاریک بین نوترون‌ها و الکترون‌ها تعیین کردند. اگر چنین نیروهایی وجود داشتند، بر اندازه‌گیری‌ها تأثیر می‌گذاشتند — اما داده‌ها هیچ نشانه‌ای از چنین تعامل‌هایی در سطح دقت فعلی نشان ندادند.

علاوه بر این، یافته‌های تیم اطلاعات مستقیمی درباره چگونگی تغییر شکل هسته‌های ایتربیوم با تغییر تعداد نوترون‌ها ارائه داد. این کشف بینش‌های ارزشمندی درباره ساختار هسته‌های اتمی سنگین به دست می‌دهد و می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا محیط‌های شدید، مانند ماده درون ستاره‌های نوترونی، را بهتر درک کنند.

این پژوهش نشان می‌دهد که چگونه فیزیک اتمی، هسته‌ای و ذرات می‌توانند با همکاری یکدیگر به بررسی پرسش‌های بنیادین درباره جهان بپردازند. با ترکیب آزمایش‌های پیشرفته و مدل‌سازی نظری، دانشمندان نه تنها محدودیت‌های درک ما از ساختار اتمی را می‌آزمایند، بلکه در جستجوی فیزیک کاملاً جدیدی فراتر از مدل استاندارد هستند.