كتب – باسل يوسف:
عندما تتعاون فرق البحث العليا، غالبًا ما تتبعها اكتشافات رائدة. كانت هذه هي الحال عندما جمع علماء الفيزياء الكمومية من المعهد الفيدرالي الفيزيائي التقني (PTB) ومعهد ماكس بلانك للفيزياء النووية (MPIK) في هايدلبرغ، بين الفيزياء الذرية والنووية بدقة غير مسبوقة، باستخدام تقنيتين مختلفتين للقياس.
وبالتعاون معهم، أجرى علماء الفيزياء النظرية من الجامعة التقنية في دارمشتات وجامعة لايبنتز في هانوفر حسابات جديدة على بنية النوى الذرية. وأظهرت نتائجهم أن قياسات غلاف الإلكترون في الذرة يمكن أن تكشف عن معلومات قيمة حول شكل وتشوه نواتها.
وفي الوقت نفسه، ساعدت هذه القياسات عالية الدقة في وضع حدود جديدة للقوة المحتملة للقوة المظلمة التي تعمل بين النيوترونات والإلكترونات. نُشرت نتائج الدراسة في العدد الأخير من Physical Review Letters.
كشف لغز المادة المظلمة
لمدة قرن تقريبًا، عرف العلماء أن الكثير من مادة الكون غير مرئية، وتوجد كمادة مظلمة غامضة تتفاعل مع المادة العادية من خلال الجاذبية. ومع ذلك، لا يزال من غير المؤكد ما إذا كانت هناك “قوى مظلمة” إضافية يمكنها “التواصل” مع كل من المادة المظلمة والمرئية.
إذا كانت مثل هذه القوى موجودة، فيجب أن تؤثر أيضًا على الذرات، التي تسمح التكنولوجيا الحديثة للعلماء بدراستها بدقة شديدة. تقول تانيا ميلشتاوبلر “قياس التحول في الرنينات الإلكترونية في النظائر هو طريقة قوية بشكل خاص لإلقاء الضوء على التفاعل بين البنية النووية والإلكترونية”. والنظائر هي أشكال مختلفة من نفس العنصر، وتتميز فقط بالاختلافات في عدد النيوترونات في نواتها.
اكتشاف مدهش في نظائر الإيتربيوم
في عام 2020، لاحظ الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا شيئًا غير متوقع أثناء دراسة تحولات النظائر في عنصر الإيتربيوم. كشفت قياساتهم عن انحراف غير خطي – وهي النتيجة التي لم تتوافق مع النظريات القائمة.
أرسل هذا الاكتشاف موجات صدمة عبر مجتمع الفيزياء. هل يمكن أن يكون هذا الشذوذ أول علامة على “قوة مظلمة” جديدة، أم أنها كانت تكشف بدلاً من ذلك عن خصائص غير معروفة سابقًا للنوى الذرية؟ هل دخل علماء الفيزياء الذرية عن غير قصد في الفيزياء النووية ببساطة عن طريق مقارنة ترددات انتقال الإلكترونات في نظائر مختلفة؟
انطلاقًا من هذا السؤال، شرعت تانيا ميلشتاوبلر من معهد PTB في براونشفايج وكلاوس بلوم من معهد MPIK في هايدلبرغ في التحقيق في تحولات نظائر الإيتربيوم. وأجرت فرق البحث التابعة لهما قياسات عالية الدقة لترددات الانتقال الذري ونسب كتلة النظائر لنظائر الإيتربيوم. واستُخدمت مصائد الأيونات الخطية عالية التردد وأنظمة الليزر فائقة الثبات في التحليل الطيفي البصري في معهد PTB.
وفي معهد MPIK، تم تحديد نسب كتلة النظائر في مطياف الكتلة PENTATRAP Penning trap. وكان كلا القياسين أكثر دقة بما يصل إلى 100 مرة من القياسات السابقة من هذا النوع.
تأكيد الشذوذ وإعادة تعريف الحدود
أكّد الباحثون الشذوذ، وتمكّن الفريق من تقديم تفسير بمساعدة حسابات نظرية نووية جديدة أجراها فريق Achim Schwenk في جامعة دارمشتات للتكنولوجيا. وبالتعاون مع علماء الفيزياء الذرية النظرية من MPIK في هايدلبرد وجامعة نيو ساوث ويلز في سيدني بالإضافة إلى علماء فيزياء الجسيمات من جامعة لايبنتز هانوفر، تمكنوا من تحديد حد جديد لوجود القوى المظلمة.
وتمكن 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 والجزيئية للتعاون في البحث عن فيزياء جديدة والحصول على فهم أفضل للظواهر المعقدة التي تحدد بنية المادة.
اقرأ أيضا:
