چرخش‌های مغناطیسی درون هسته اتمی، معمای ده‌ها ساله پرتو گاما را حل کرد

برای دهه‌ها، فیزیکدانان هسته‌ای با یک ناهنجاری پایدار روبرو بودند که مدل‌هایشان قادر به توضیح آن نبود. هنگامی که برخی هسته‌های اتمی دچار واپاشی رادیواکتیو می‌شوند، تعداد غیرمنتظره‌ای از پرتوهای گامای کم‌انرژی ساطع می‌کنند. این پدیده که به عنوان «تقویت کم‌انرژی» (LEE) شناخته می‌شود، توسط چارچوب‌های نظری استاندارد پیش‌بینی نشده بود و محققان را در پیش‌بینی اینکه کدام هسته‌ها این درخشش را نشان خواهند داد و چرا این اتفاق می‌افتد، ناتوان می‌ساخت.[1][2]

اکنون، یک تیم بین‌المللی از دانشمندان به رهبری «تأسیسات پرتوهای ایزوتوپ کمیاب» (FRIB) و «آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور» (LLNL) بالاخره منبع این سیگنال مرموز را شناسایی کرده‌اند. در مطالعه‌ای که در مجله نیچر (Nature) منتشر شد، محققان نشان دادند که پرتوهای گامای اضافی توسط گذارهای مغناطیسی که در عمق هسته رخ می‌دهند، تولید می‌شوند.[1][5]

پرتوهای گاما نوعی از تابش الکترومغناطیسی هستند که هنگام انتقال یک هسته اتمی برانگیخته به حالت انرژی پایین‌تر و پایدارتر آزاد می‌شوند. این گذارها عموماً به عنوان الکتریکی یا مغناطیسی طبقه‌بندی می‌شوند که نشان‌دهنده روش‌های مختلفی است که پروتون‌ها و نوترون‌ها قبل از آزادسازی انرژی، خود را بازآرایی می‌کنند.[3][6]

برای جداسازی علت پدیده تقویت کم‌انرژی (LEE)، تیم تحقیقاتی بر روی روی-۷۰ (zinc-70) تمرکز کرد، هسته‌ای که مشخص بود این تقویت را نشان می‌دهد. آن‌ها با استفاده از ابزارهای تخصصی در FRIB، واپاشی بتا مس-۷۰ (copper-70) به روی-۷۰ را از طریق دو مسیر متمایز بررسی کردند—یکی از حالت پایه مس و دیگری از حالت ایزومری برانگیخته.[4][5]

این رویکرد دو مسیره به دانشمندان اجازه داد تا حالت‌های واپاشی الکتریکی و مغناطیسی را از هم جدا کنند. آن‌ها مشاهده کردند که در طول یک گذار الکتریکی، پروتون‌های درون هسته موقعیت فیزیکی خود را تغییر می‌دهند. اما در طول یک گذار مغناطیسی، نوترون‌ها و پروتون‌ها اساساً آهنرباهای داخلی خود را معکوس (فلیپ) می‌کنند.[1][2]

این آزمایش نشان داد که تنها گذار مغناطیسی باعث ایجاد تقویت کم‌انرژی در پرتوهای گاما می‌شود. آندریا ریچارد (Andrea Richard)، یکی از رهبران این مطالعه و استادیار دانشگاه اوهایو، گفت: «این یک گام کلیدی رو به جلو است. ما اکنون یک توضیح منسجم داریم که مشاهدات تجربی را با نظریه مرتبط می‌کند.»[2][4]

این کشف پیامدهای عمیقی برای اخترفیزیک دارد، به ویژه در درک چگونگی ساخت عناصر سنگین توسط جهان. تقویت کم‌انرژی، بسامد واکنش‌های جذب نوترون را فراتر از پیش‌بینی‌های استاندارد افزایش می‌دهد.[1][4]

این واکنش‌ها موتور اصلی برای ساخت عناصر سنگین در طول رویدادهای کیهانی شدید، مانند ابرنواخترها و برخوردهای ستاره‌های نوترونی هستند. با در نظر گرفتن چرخش‌های مغناطیسی که محرک پدیده تقویت کم‌انرژی (LEE) هستند، اخترفیزیکدانان می‌توانند محاسبات خود را در مورد نرخ واکنش‌ها در این محیط‌های ستاره‌ای به شدت بهبود بخشند.[1][4]

فراتر از کیهان، این یافته‌ها کاربردهای عملی روی زمین را نیز اصلاح خواهند کرد. مدل‌های هسته‌ای بهبودیافته، تفسیر نتایج برنامه‌های آزمایش‌های گذشته را تقویت می‌کنند، قابلیت‌های پزشکی قانونی هسته‌ای (nuclear forensics) را پشتیبانی می‌کنند و به توسعه سیستم‌های انرژی هسته‌ای نسل بعدی کمک می‌کنند.[2][3]