สิ่งแปลกประหลาดเกิดขึ้นเมื่อนักวิจัยของ MIT Adam Vernon และ Ronald Garcia Ruiz พร้อมด้วยทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติ ได้ทำการทดลองโดยใช้เทคนิคเลเซอร์สเปกโตรสโกปีที่ละเอียดอ่อนเพื่อวัดว่าสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าของนิวเคลียสของไอโซโทปอินเดียมมีวิวัฒนาการอย่างไรเมื่อมีไอโซโทปจำนวนมาก นิวตรอนถูกเติมเข้าไปในนิวเคลียส นิวเคลียสเหล่านี้ไม่มีอยู่ในธรรมชาติ และเมื่อสร้างขึ้นแล้ว อายุขัยของพวกมันอาจสั้นเพียงเสี้ยววินาที ดังนั้นทีมงานจึงสร้างนิวเคลียสโดยใช้เครื่องเร่งอนุภาคที่ศูนย์วิจัย CERN ในสวิตเซอร์แลนด์ ด้วยการใช้เลเซอร์หลายตัวร่วมกับกับดักไอออน ทีมงานจึงแยกไอโซโทปที่น่าสนใจและทำการวัดอะตอมที่มีนิวเคลียสแปลกใหม่เหล่านี้อย่างแม่นยำ ในทางกลับกันก็อนุญาตให้สกัดคุณสมบัตินิวเคลียร์ของพวกเขา
14 กรกฎาคม 2022 MIT
Vernon, postdoc ในห้องปฏิบัติการเพื่อวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์ (LNS); Ruiz ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และบริษัทในเครือ LNS; และเพื่อนร่วมงานของพวกเขาประสบความสำเร็จอย่างน่าประหลาดใจ เมื่อวัดนิวเคลียสด้วยจำนวน “มหัศจรรย์” ของนิวตรอน – 82 – สนามแม่เหล็กของนิวเคลียสมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรง และคุณสมบัติของนิวเคลียสที่ซับซ้อนมากเหล่านี้ดูเหมือนจะถูกควบคุมโดยโปรตอนเพียงตัวเดียวของนิวเคลียส
“การสังเกตใหม่ที่ 82 นิวตรอนเปลี่ยนภาพของนิวเคลียสนี้ เราต้องคิดทฤษฎีนิวเคลียร์ใหม่ๆ เพื่ออธิบายผลลัพธ์” เวอร์นอนกล่าว
การเคลื่อนที่ของโปรตอนและนิวตรอนที่โคจรอยู่ภายในนิวเคลียสของอะตอมทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ซึ่งจะเปลี่ยนนิวเคลียสให้เป็นแม่เหล็กขนาดเฟมโตเมตร (หนึ่งในสี่ล้านล้าน) อย่างมีประสิทธิภาพ การทำความเข้าใจว่าแม่เหล็กไฟฟ้านิวเคลียร์เกิดขึ้นได้อย่างไรจากพลังพื้นฐานของธรรมชาติเป็นหนึ่งในปัญหาเปิดที่สำคัญของฟิสิกส์นิวเคลียร์
สมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าของนิวเคลียสของไอโซโทปอินเดียม (นิวเคลียสที่มีเลขอะตอมเท่ากันแต่จำนวนนิวตรอนต่างกัน) ถือเป็นตัวอย่างที่น่าสนใจอย่างยิ่งในธรรมชาติ ด้วยโปรตอน 49 ตัว และระหว่าง 60 ถึง 80 นิวตรอน คุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าของไอโซโทปอินเดียมดูเหมือนจะถูกควบคุมโดยโปรตอนเพียงตัวเดียว โดยไม่คำนึงถึงจำนวนของนิวตรอนคู่
“คุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าของไอโซโทปอินเดียมได้รับการพิจารณาว่าเป็นตัวอย่างในหนังสือเรียนในการทำความเข้าใจโครงสร้างนิวเคลียร์ของเรา” รุอิซซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยเกี่ยวกับการทดลองด้วยเลเซอร์สเปกโทรสโกปีของอะตอมและโมเลกุลที่มีนิวเคลียสอายุสั้นภายในห้องปฏิบัติการโมเลกุลแปลกปลอมและอะตอมของ LNS
การคำนวณแบบ “ab-initio” และ “density functional theory” ที่ล้ำสมัยสองแบบสำหรับนิวเคลียสของอะตอมได้รับการพัฒนาอย่างอิสระโดยผู้ทำงานร่วมกันเพื่ออธิบายผลการทดลอง พวกเขาแสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กเปลี่ยนไปอย่างกะทันหันโดยได้รับโปรตอนตัวเดียวในนิวเคลียสเมื่อมีนิวตรอนถึง 82 นิวตรอน เช่นเดียวกับที่นักวิจัยของ MIT และผู้ทำงานร่วมกันสังเกตในห้องปฏิบัติการ
ผลงานของนักวิจัยได้อธิบายไว้ในบทความเรื่องNatureในวันนี้ มันทำหน้าที่เป็นก้าวสำคัญสำหรับฟิสิกส์นิวเคลียร์ เนื่องจากมันท้าทายความเข้าใจก่อนหน้านี้ของเราเกี่ยวกับนิวเคลียสเหล่านี้ นอกจากนี้ การคำนวณนิวเคลียสของอะตอมโดยละเอียดยังเป็นเรื่องที่ท้าทายมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับโปรตอนและนิวตรอนจำนวนมาก เช่น ในงานนี้
เวอร์นอนกล่าวเสริมว่า “เป็นเรื่องยากที่การคำนวณสามารถตรวจสอบนิวเคลียสของอะตอมด้วยรายละเอียดดังกล่าวได้ และนี่คือสิ่งที่การสังเกตปรากฏการณ์ใหม่ของเราเปิดใช้งาน”
ผลลัพธ์เป็นขั้นตอนที่สำคัญต่อการทำความเข้าใจนิวเคลียสของอะตอมและแรงนิวเคลียร์ด้วยกล้องจุลทรรศน์ ไม่เพียงแต่มีความสำคัญต่อการอธิบายนิวเคลียสของอะตอมเท่านั้น แต่ยังมีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจระบบดาราศาสตร์ฟิสิกส์ เช่น ดาวนิวตรอน การค้นพบของพวกเขาเป็นแนวทางที่สำคัญในการปรับแต่งแบบจำลองทางทฤษฎี ซึ่งเป็นข้อมูลที่จำเป็นสำหรับการศึกษาที่หลากหลาย เช่น การค้นหาการค้นหาสสารมืดและฟิสิกส์นิวตริโน
งานนี้ได้รับการสนับสนุนภายใต้สำนักงานฟิสิกส์นิวเคลียร์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ
