کشف ناهنجاری در هسته اتم ایتربیوم؛ گام جدید در جستجوی نیروهای تاریک, محققان موسسه فیزیکالیش-تکنیکال بوندس آنشتالت (PTB) آلمان و مؤسسه ماکس پلانک فیزیک هستهای (MPIK) در همکاری با متخصصان دانشگاه فنی دارمشتات و دانشگاه لیبنیتس هانوفر، پیوندی نوین میان ساختار اتمی و ویژگیهای هستهای آشکار کردهاند.
نتایج این پژوهش که اخیراً در مجله معتبر منتشر شده، محدودیتهای تازهای برای وجود احتمالی نیروهای مرموز تاریک برقرار کرده که میتوانند بر ماده تأثیر بگذارند. از فرضیه ماده تاریک تا جستجوی نیروهای ناشناخته نزدیک به یک قرن است که دانشمندان معتقدند بخش اعظم جهان از ماده تاریک تشکیل شده — مادهای نامرئی که تنها از طریق گرانش با ماده معمولی تعامل دارد.
برخی محققان اکنون فرض میکنند که نیروهای ناشناخته تاریک نیز ممکن است در حال فعالیت باشند و بر هر دو ماده مرئی و تاریک اثر بگذارند. در صورت وجود، این نیروها میتوانند بر ساختار اتمها تأثیر بگذارند و اندازهگیریهای فوقدقیق را به ابزاری کلیدی در کاوش فیزیک فراتر از مدل استاندارد تبدیل کنند.
ریشهیابی یک ناهنجاری مرموز در ایزوتوپهای ایتربیوم این پژوهش تازه بر پایه کشف غیرمعمولی در سال ۲۰۲۰ توسط تیمی از موسسه فناوری ماساچوست (MIT) استوار است. در حین مطالعه ایزوتوپهای مختلف عنصر ایتربیوم، محققان MIT تحولی شگفتانگیز در حرکت الکترونها را مشاهده کردند که از الگوهای پیشبینیشده پیروی نمیکرد. این پدیده دانشمندان را به این پرسش سوق داد که آیا عامل آن یک نیروی تازه طبیعت است یا ویژگی ناشناختهای از هستههای اتمی.
برای بررسی عمیقتر، فیزیکدانان PTB و MPIK آزمایشهای فوقدقیقی روی ایزوتوپهای ایتربیوم انجام دادند. آنها تفاوتهای ریز در فرکانسهای انتقال الکترونها را با بهرهگیری از طیفسنجی نوری پیشرفته در PTB اندازهگیری کردند. در همزمان، محققان MPIK نسبت جرم ایزوتوپها را با استفاده از طیفسنج جرمی با دقت بالا تعیین نمودند؛ دقتی که ۱۰۰ برابر پیشین بود.
تغییر شکل هسته، نه نیروی تاریک نتایج حاصل ناهنجاری اولیه را تایید کرد، اما با کمک محاسبات نوین نظریه هستهای از سوی محققان دانشگاه فنی دارمشتات، تیم موفق شد این پدیده را تبیین کند. برخلاف فرضیه وجود یک نیروی تاریک تازه، این ناهنجاری ریشه در تغییرات ظریف شکل هستههای اتمی ایتربیوم داشت. به عبارت دیگر، دگرگونی شکل هسته ایتربیوم بر حرکت الکترونها تأثیری میگذاشت که تا پیش از این به طور کامل درک نشده بود.
محدودیتهای جدید برای نیروهای تاریک و بینشهای هستهای با تحلیل دادهها، دانشمندان محدودیتهای سختگیرانهتری برای وجود احتمالی نیروهای تاریک میان نوترونها و الکترونها برقرار کردند. اگر چنین نیروهایی وجود داشتند، باید بر اندازهگیریها اثر میگذاشتند؛ اما دادهها هیچ نشانهای از این تعاملها در سطح دقت فعلی نشان ندادند.
علاوه بر این، یافتههای تیم اطلاعات مستقیمی درباره نحوه دگرگونی شکل هستههای ایتربیوم با تغییر تعداد نوترونها ارائه داد. این کشف بینشهای ارزشمندی در مورد ساختار هستههای اتمی سنگین به ارمغان میآورد و میتواند درک محیطهای شدید، نظیر ماده درون ستارههای نوترونی، را یاری رساند. این پژوهش نشان میدهد که چگونه فیزیک اتمی، هستهای و ذرات میتوانند با همافزایی به باز کردن پاسخهای سوالات بنیادین جهان بپردازند.
با تلفیق آزمایشهای پیشرفته و مدلسازی نظری، محققان نه تنها مرزهای درک ما از ساختار اتم را گسترش میدهند، بلکه در جستجوی فیزیک کاملاً نوینی فراتر از مدل استاندارد گام برمیدارند.
