این شتابدهندهها معمولاً تأسیسات عظیمی هستند که گاهی کیلومترها طول دارند و الکترونها را تا سرعتهای سرسامآور شتاب میدهند تا رازهای پنهان در دل هستهها را بیرون بکشند.
اما در مطالعهی جدیدی، پژوهشگران راهی سادهتر و بسیار کوچکتر پیشنهاد کردهاند. آنها بدون نیاز به این همه هیاهو، دادههایی از درون هسته به دست آوردند؛ فقط با بهکارگیری الکترونهای خودِ اتم به عنوان «پیک» درون یک مولکول دواتمی.
آنها این کار را با جفت کردن یک اتم رادیوم با یک اتم فلوئور انجام دادند و مولکولی به نام «رادیوم مونوفلوئورید» ساختند. با بهرهگیری از ویژگیهای محیط درونمولکولی، نوعی برخورددهندهی میکروسکوپی خلق کردند که در آن، الکترونهای اتم رادیوم برای لحظهای کوتاه به درون هستهاش نفوذ میکردند.
این روش به پژوهشگران اجازه داد انرژی الکترونها را در مولکول با دقت بالایی اندازهگیری کنند؛ اندازهگیریای که یک جابهجایی ظریف انرژی را نشان داد. مشخص بود که الکترونها گاهگاهی به داخل هستهی رادیوم سفرهای کوتاهی میکنند و با محتویات آن تعامل دارند.
این میتواند راهی نو برای اندازهگیری توزیع مغناطیسی هسته باشد؛ یعنی نحوهی چیدمان پروتونها و نوترونها و تأثیر آن بر خواص مغناطیسی هسته.
پژوهشگران تأکید میکنند که این مطالعه فقط گام اولیه است، اما قصد دارند با همین روش، نوری تازه بر هستهی رادیوم بتابانند. چنین بینشی میتواند به حل یکی از بزرگترین معماهای فیزیک کمک کند: چرا جهان ما پر از ماده است و مادهی ضدماده تقریباً غایب است؟
رونالد فرناندو گارسیا روئیز، فیزیکدان امآیتی و یکی از نویسندگان مطالعه، میگوید: «نتایج ما زیربنای مطالعاتی بعدی است که هدفشان اندازهگیری نقض تقارنهای بنیادی در سطح هستهای است. این میتواند پاسخ برخی از مهمترین پرسشهای فیزیک مدرن را بدهد.»
مدلهای کنونی میگویند جهان نوزاد باید تقریباً به یک اندازه ماده و ضدماده داشته باشد، اما ضدماده به طرز مشکوکی نادر است. امروز تقریباً همه چیز در جهان ماده است؛ این نقض آشکار تقارن مورد انتظار بین ماده و ضدماده است.
دانشمندان گمان میکنند پاسخ در برخی هستههای اتمی نهفته است؛ جایی که درونشان ممکن است سرنخی از کمبود ضدماده به ما بدهد.
رادیوم یکی از بهترین کاندیداهاست، چون هستهاش شکل گلابی دارد. بیشتر هستههای اتمی کرویاند، اما ساختار نامتقارن رادیوم میتواند مشاهدهی نقض تقارن بنیادی را آسانتر کند.
گارسیا روئیز میگوید: «پیشبینی میشود هستهی رادیوم تقویتکنندهی این نقض تقارن باشد، چون توزیع بار و جرم در آن نامتقارن است؛ چیزی که بسیار نادر است.»
با این حال، کار ساده نیست. شین ویلکینز، نویسندهی اصلی و فیزیکدان سابق پسادکتری امآیتی که اکنون در دانشگاه ایالتی میشیگان است، میگوید: «رادیوم به طور طبیعی رادیواکتیو است، عمر کوتاهی دارد و ما فعلاً فقط مقدار بسیار کمی مولکول رادیوم مونوفلوئورید میتوانیم تولید کنیم. بنابراین به تکنیکهای فوقالعاده حساسی نیاز داریم.»
کلید کار، قرار دادن اتم رادیوم درون یک مولکول است؛ مولکولی که فعالیت الکترونهایش را محدود و تقویت میکند. سیلویو-ماریان اودرسکو، فیزیکدان دانشگاه جانز هاپکینز که در زمان دانشجویی دکتری در امآیتی در این مطالعه مشارکت داشت، توضیح میدهد: «وقتی این اتم رادیواکتیو را داخل مولکول میگذارید، میدان الکتریکی داخلی که الکترونها تجربه میکنند، چندین مرتبه بزرگتر از میدانهایی است که ما در آزمایشگاه میتوانیم تولید کنیم. در واقع، مولکول مثل یک شتابدهندهی ذرات غولپیکر عمل میکند و شانس ما برای کاوش هستهی رادیوم را بیشتر میکند.»
درون مولکول رادیوم مونوفلوئورید، الکترونهای اتم رادیوم به گونهای محدود شده بودند که احتمال ورودشان به هسته افزایش مییافت. پژوهشگران مولکولها را محبوس و سرد کردند، سپس با لیزر انرژی الکترونها را اندازه گرفتند. جابهجاییهای کوچک اما معنادار در دادهها، نشاندهندهی سفرهای کوتاه به درون هسته بود.
ویلکینز میگوید: «آزمایشهای زیادی وجود دارد که تعامل بین هسته و الکترونهای بیرون هسته را اندازه میگیرند و ما میدانیم این تعاملها چه شکلیاند. اما وقتی انرژی الکترونها را با دقت بسیار بالا اندازه گرفتیم، با آنچه انتظار داشتیم (اگر فقط بیرون هسته تعامل میکردند) جور درنمیآمد. این تفاوت به ما گفت که الکترونها درون هسته هم تعامل داشتهاند.»
پژوهشگران گزارش میدهند که این کشف میتواند توانایی ما در مطالعهی هستههای اتمی را دگرگون کند. البته ذرات زیراتمی سرسختاند و رازهایشان را به آسانی فاش نمیکنند.
گارسیا روئیز میگوید: «حالا اثبات کردیم که میتوانیم درون هسته نمونهبرداری کنیم. مثل این است که میدان الکتریکی داخل یک باتری را اندازه بگیریم. همه میتوانند میدان بیرون باتری را اندازه بگیرند، اما اندازهگیری داخلش بسیار دشوار است. و این کاری است که ما حالا میتوانیم انجام دهیم.»
او میافزاید: «مولکولهای حاوی رادیوم پیشبینی شدهاند که سیستمهای فوقالعاده حساسی برای جستجوی نقض تقارنهای بنیادی طبیعت باشند. حالا راهی داریم که این جستجو را انجام دهیم.»
این روش، با کنار گذاشتن شتابدهندههای عظیم، دریچهای تازه به سوی رازهای بنیادین جهان باز میکند؛ رازهایی که شاید توضیح دهند چرا ما وجود داریم و چرا جهان، جهانی مادی است.
در لحظهی بیگبنگ (انفجار بزرگ)، جهان باید به یک اندازه ماده و ضدماده تولید کرده باشد.
وقتی ماده و ضدماده با هم برخورد میکنند، هر دو نابود میشوند و فقط انرژی (نور) باقی میماند.
اگر جهان کاملاً متقارن بود، هیچ مادهای باقی نمیماند — یعنی نه ستاره، نه کهکشان، نه سیاره ای
اما ما وجود داریم. پس باید چیزی تقارن را شکسته باشد.
این نقض تقارن، یکی از بزرگترین معماهای کیهانشناسی است.
