Yazan: Jennifer Chu
Çeviren: Ümit Sözbilir
Düzenleyen: Çağla Ayaz
Özet: Araştırmacılar, ilk kez kısa ömürlü bir radyoaktif molekül olan radyum monoflorürü hassas bir şekilde ölçmek için bir süper çarpıştırıcının gücünü lazer spektroskopisi teknikleriyle birleştirdiler.
Ağır ve biçimi bozulmuş radyoaktif çekirdekler içeren moleküller, bilim insanlarının simetriyi ihlal eden olayları ölçmelerine ve karanlık madde belirtilerini belirlemelerine yardımcı olabilir.
Radyoaktif moleküllerin hassas çalışmaları, bilim insanlarının Standart Modelin ötesinde, doğada belirli temel simetrileri ihlal eden olaylar gibi yeni fizik ve karanlık madde belirtileri arama olasılıklarını ortaya çıkarır. Ekibin deneysel tekniği, astrofizik süreçlerde üretilen radyoaktif moleküllerin laboratuvar çalışmalarını gerçekleştirmek için de kullanılabilir.
“Sonuçlarımız, temel fizik ve diğer alanlarda araştırma için yeni ve benzersiz bir laboratuvar sunabilecek kısa ömürlü radyoaktif moleküller için yüksek hassasiyetli çalışmalara yol açıyor.” diyor MIT’deki araştırmanın başyazarı Ronald Fernando Garcia Ruiz.
Garcia Ruiz’in meslektaşları arasında MIT lisansüstü öğrencisi Alex Brinson ve Cenevre’deki Avrupa Nükleer Araştırmalar Örgütünde (CERN) çalışan uluslararası bir araştırmacı ekibi yer alıyor. Sonuçlar Nature dergisinde yayımlandı.
Zamanın Tersine Çevrilmesi
En basit molekül, her biri bir atomu diğerinden daha ağır yapan belirli sayıda proton ve nötron içeren bir çekirdeğe sahip iki atomdan yapılır. Her çekirdek bir elektron bulutu ile çevrilidir. Bir elektrik alanının varlığında, bu elektronlar molekül içinde son derece büyük bir elektrik alanı oluşturmak için yeniden dağıtılabilir.
Fizikçiler, elektronların ve diğer atomaltı parçacıkların temel özelliklerini incelemek için molekülleri ve elektrik alanlarını minyatür laboratuvarlar olarak kullandılar. Örneğin, bağlı bir elektron molekülü elektrik alanıyla etkileşime girdiğinde enerji değişebilir ve bilim insanları elektronun özelliklerini çıkarmak için değişen enerjiyi ölçebilirler. Bu, tıpkı küresel bir şekilden sapmasının bir ölçümünü sağlayan elektrostatik dipol momenti gibidir.
Parçacık fiziğinin Standart Modeline göre, temel parçacıklar kabaca küresel olmalı veya ihmal edilebilir bir elektrostatik dipol momentine sahip olmalıdır. Bununla birlikte, bir parçacığın veya sistemin kalıcı bir elektrikli dipol momenti mevcutsa bu, doğadaki bazı süreçlerin fizikçilerin varsaydığı kadar simetrik olmadığı anlamına gelir.
Örneğin fizikçiler, fizikle ilgili temel yasaların çoğunun zaman yönüyle değişmemesi -zaman tersine simetri olarak bilinen bir ilke- gerektiğine inanmaktadır. Yani kütle çekimini örnek verirsek zamanın ileri veya geri gitmesine bakılmaksızın, bir topun uçurumdan düşmesine veya hız ve uzayda aynı yol boyunca geri yuvarlanmasına neden olması gerekir. Bununla birlikte, bir elektron tam olarak küresel değilse bu durum zamanın tersine simetrisinin ihlal edildiğini gösterir. Bu ihlal, neden evrenimizde karşıt maddeden daha fazla madde olduğunu açıklamak için çok ihtiyaç duyulan bir koşul sağlayacaktır.
Bilim insanları bir elektronun çok güçlü elektrik alanlarıyla etkileşimlerini inceleyerek elektrik dipol momentlerini tam olarak ölçme şansına sahip olabilirler. Bazı moleküllerde atomlar ne kadar ağır olursa iç elektrik alanları da o kadar güçlü olur. En az bir kararsız çekirdek içeren radyoaktif moleküller dâhili elektrik alanlarını en üst düzeye çıkarmak için uyarlanabilir. Ayrıca ağır radyoaktif çekirdekler, simetriyi ihlal edici özelliklerini artırabilecek, küresel olmayan, örneğin armut benzeri şekillere sahip olabilir.
Yüksek elektrik alanları ve benzersiz nükleer şekilleri nedeniyle radyoaktif moleküller, sadece elektronun yapısını değil aynı zamanda simetriyi ihlal eden nükleer özellikleri de araştıracak doğal laboratuvarlar oluşturacaklardı. Ancak bu moleküller kısa ömürlüdür ve bilim insanları onları tespit edememiştir.
“Bu radyoaktif moleküller doğada çok nadirdir ve bazıları gezegenimizde bulunamaz ancak yıldız patlamaları veya nötron yıldızı birleşmeleri gibi astrofiziksel süreçlerde bol miktarda ortaya çıkabilir.” diyor Garcia Ruiz. “Bu yüzden onları yapay olarak üretmek zorundayız ve asıl zorluk, yüksek sıcaklıklarda sadece küçük miktarlarda üretilebilmeleri ve çok kısa ömürlü olmalarıydı.”
Karanlıkta Bir İğne
Ekip, radyum monoflorid veya çok ağır, kararsız bir radyum atomu ve bir florür atomu içeren bir radyoaktif molekül olan RaF yapmanın bir yolunu aradı. Bu molekül özellikle ilgi çekicidir çünkü radyum çekirdeğinin bazı izotopları asimetriktir ve bir armudu andırırlar. Çekirdeğin bir ucunda diğerinden daha fazla kütleye sahiptirler.
Dahası, kuramcılar, radyum monoflorürün enerji yapısının, moleküllerin sıcaklığını düşürmek için lazer kullanan ve hassas çalışmalar yapmak için onları yavaşlatan bir teknik olan lazer soğutmaya molekülü uygun hale getireceğini tahmin etmişlerdir. Çoğu molekül işgal edebileceği birçok enerji durumuna sahipken, çok sayıda titreşim ve dönme durumu ile radyum monoflorürün lazer soğutma kullanarak birkaç ana enerji seviyesi arasındaki elektronik geçişleri desteklediği ortaya çıkar.
Ekip, önce CERN’deki ISOLDE tesisini kullanarak az miktarda molekül üreterek RaF moleküllerini ölçebildi. Daha sonra Doğrudaş Rezonans İyonizasyon Spektroskopisi (CRIS) deneyi kullanılarak lazerlerle manipüle edildi ve incelendi.
Araştırmacılar yürüttükleri deneylerinde, parçacık hızlandırıcısından proton alan ve protonları hızlandıran bir dizi halka olan CERN’in Proton Sinkrotron Hızlandırıcısını (The Proton Synchrotron Booster, PSB) kullandılar. Ekip, bu protonları uranyum karbürden yapılmış bir hedefe, uranyumu tahrip edecek seviyedeki yüksek enerjilerde ateşledi. Buradaki amaç, radyum içeren radyoaktif çekirdeklerin bir karışımını oluşturmak için bir proton ve nötron duşu üretmekti.
Araştırmacılar, daha sonra parçacıkları yüklü yapmak için radyumla tepkimeye giren bir karbon tetraflorür gazı veya kütle ayırıcı mıknatıslar sistemi aracılığıyla uranyumun diğer yan ürünlerinden ayrıldıkları radyum monoflorürün iyonik moleküllerini enjekte ettiler. Daha sonra molekülleri bir iyon tuzağına tutturdular ve helyum gazı ile çevrelediler. Bu da molekülleri araştırmacıların ölçmesine imkân verecek seviyeye kadar soğuttu.
Daha sonra ekip, molekülleri yeniden tepkimeye sokarak ve CRIS kurulumundan geçirerek ölçtü. Burada iyonik moleküller, uçuş halindeki moleküllerin ışınını nötralize etmek için her bir moleküle bir elektron veren sodyum atomlarıyla etkileşime girer. Yüksüz moleküller daha sonra bir etkileşim bölgesi boyunca yollarına devam etti ve burada araştırmacılar iki lazer ışını -biri kırmızı, diğeri mavi- parlaması yarattı.
Ekip, kırmızı lazerin frekansını yukarı ve aşağı ayarladı ve belirli dalga boylarında lazerin moleküllerle rezonansa girdiğini yani moleküldeki bir elektronu başka bir enerji seviyesine uyardığını, böylece mavi lazerin elektronu molekülden çıkarmak için yeterli enerjiye sahip olduğunu buldu. Tekrar iyonik hâle getirilen, rezonansla uyarılmış moleküller saptırıldı ve bir parçacık algıcı üzerinde toplandı. Böylece araştırmacılar ilk kez, moleküllerin enerji seviyelerini ve bu moleküllerin yapısının gerçekten lazer soğutması için uygun olduğunu gösteren ilişkili moleküler özelliklerini ölçebildi.
“Ölçümlerimizden önce, bu moleküllerin tüm enerji seviyeleri bilinmiyordu.” diyor Garcia Ruiz. “Bu, yüzlerce metre genişliğindeki karanlık bir odada iğne bulmaya çalışmak gibiydi. Şimdi iğneyi bulduğumuza göre, iğnenin özelliklerini ölçebilir ve onunla oynamaya başlayabiliriz.”
