اولین انتشار نوترون پس از تجزیه بتا در ایزوتپ نادر فلورین‑۲۵ مشاهده شد
توسط اریک گیدنک، دانشگاه ایالت میشیگان
ویرایش توسط اندرو زینین
یک تیم پژوهشی در Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) برای اولین بار موفق به مشاهده انتشار نوترون پس از تجزیه بتا از فلورین‑۲۵، ایزوتپی نادر و ناپایدار شد. با استفاده از FRIB Decay Station Initiator (FDSi)، تیم تناقضهایی را در نتایج قبلی تجربی یافت. این نتایج مسیر جدیدی از تحقیق دربارهٔ چگونگی باقیماندن ذرات در ایزوتپهای غیراستوار تحت شرایط شدید باز کرد. تیم به رهبری پروفسور رابرت گرژواچ، استاد فیزیک دانشگاه تنسی، نوکسویل (UTK) تشکیل میشد و شامل جک پلتیر، دانشجوی دورهلیسانس UTK، ژنگیو شو، پژوهشگر پسادکترا UTK، شون لیدیک، استاد شیمی FRIB و رئیس موقت دپارتمان شیمی دانشگاه میشیگان (MSU)، و ربکا لبنا، پژوهشگر FRIB بود.
تیم نتایج خود را در Physics Letters B منتشر کرد.
“نتایج متفاوت مربوط به طول عمر تجزیهای که برای فلورین‑۲۵ بهدست آوردیم، مشابه تجزیهای بود که پیش از این برای اکسیژن‑۲۴ اندازهگیری شده بود. اگرچه هنوز بهطور کامل دلیل این تفاوت با نتایج منتشر شده قبلی را نمیدانیم، ما بررسیهای متعددی روی نتایج خود انجام دادهایم و به یافتههایمان اطمینان داریم”، گفت گرژواچ.
هستههای جادویی به دانشمندان در نقشهبرداری از جزیرهٔ وارونگی کمک میکنند
همانطور که الکترونهای یک اتم در مدارهای خاصی دور هسته میچرخند، این الکترونها «پوستهها» را در سطوح انرژی مختلف شکل میدهند. تعداد الکترونهایی که یک پوسته میتواند در خود جای دهد، بسته به عنصر موردنظر و سطح انرژی محیط متفاوت است. هنگامی که یک پوسته به ظرفیت یا نزدیک به ظرفیت خود برای الکترونها برسد، پایداری اتمی بیشتری خواهد داشت.
امری مشابه در مورد پروتونها و نوترونها درون هستهٔ اتم نیز رخ میدهد. همانند تعداد الکترونهای دور هسته، پوسته داخل هسته تعداد پروتونها یا نوترونهایی را توصیف میکند که میتوانند در یک سطح انرژی معین در هسته جای گیرند. با گذشت زمان، پژوهشگران متوجه شدند که برخی اعداد خاص از پروتونها یا نوترونها، پایداری هسته را همانطوری که پر شدن پوستههای الکترونی پایداری را افزایش میدهد، تقویت میکند. دانشمندان از این «اعداد جادویی» پروتون و نوترون برای ارزیابی و پیشبینی پایداری یک نیوکلیید استفاده میکنند. هستهها همچنین میتوانند «دوبار جادویی» باشند، به این معنی که هم پروتونها و هم نوترونها پوستهٔ خود را پر کردهاند و این موجب افزایش پایداری بیشتر میشود.
اگرچه اعداد جادویی راهنمای مفیدی برای شناسایی نیوکلییدهای پایدار هستند، فیزیکدانان هستهای برای توصیف ناپایدارترین هستهها که ممکن است تنها چند میلیثانیه قبل از تجزیه وجود داشته باشند، به ترکیبی از نظریه و آزمایش نیاز دارند. بهعنوان مثال، در دههٔ ۱۹۷۰، پژوهشگرانی که به بررسی ایزوتپهای غیرمعمول لیتیوم و سدیم میپرداختند، «جزیره وارونگی» را کشف کردند؛ در این جزیره، برخی نیوکلییدها نسبت به همسایگان کوتاهعمر خود پایداری چشمگیری نشان میدادند. از آن زمان، پژوهشگران از این ایزوتپهای حاشیهای برای درک بهتر همسایگان کوتاهعمر و شگفتانگیز در جدول اتمی استفاده کردهاند.
با این حال، در سالهای اخیر پژوهشگران نشانههایی مشاهده کردهاند که نشان میدهد اعداد جادویی ثابتشده ممکن است برای هر نیوکلیید یا تحت تمام شرایط صادق نباشند. اخیراً، گرژواچ و همکارانش یک ناهماهنگی مشابه را هنگام مطالعهٔ اکسیژن‑۲۴، هستهای که بهعنوان ناپایدار و کوتاهعمر در نزدیکی لبهٔ جزیره وارونگی پیشبینی میشد، کشف کردند. به تعجب تیم، اکسیژن‑۲۴ هنگام بررسی با دستگاههای پیشینی FRIB، آزمایشگاه چرخهدار ابررسانا ملی، گویی دوبار جادویی رفتار میکرد.
در یک مطالعهٔ پس از آن در FRIB، تیم بهطور تصادفی شواهدی یافت که فلورین‑۲۵ نیز ممکن است پایداری بیشتری نسبت به انتظارات نشان دهد. «وقتی در FRIB آزمایش میکنیم، معمولاً همزمان چندین ایزوتپ تولید میکنیم و آنها را به سامانهٔ آزمایشی میرسانیم»، گفت لیدیک. «در برنامهریزی یک آزمایش، ما بر روی یک هستهٔ خاص که فکر میکنیم تأثیر بالایی بر سامانه دارد متمرکز میشویم، اما میدانیم که همیشه نتایج اضافی برای بررسی در دادهها وجود دارد. در این مورد، نه تنها میتوانستیم به اکسیژن‑۲۴ نگاه کنیم، بلکه میتوانستیم تجزیهٔ دیگر ایزوتپها به هستههای همسایه را نیز مشاهده کنیم.»
با استفاده از FDSi، تیم تجزیهٔ بتای فلورین‑۲۵، ایزوتپی با ۱۶ نوترون، را مورد مطالعه قرار داد و برای اولین بار بهصورت تجربی مشاهده کرد که فرزند آن، نئون‑۲۵، یک نوترون پرتاب میکند. آزمایش تیم نه تنها نتایج آزمایشهای واکنش قبلی انجامشده در سال ۲۰۲۰ را نقض کرد، بلکه احتمال اینکه عدد ۱۶ بتواند بهعنوان عدد جادویی قوی برای نوترونها در ایزوتپهای نزدیک به اکسیژن‑۲۴ عمل کند، افزایش داد. «این کار نشان میدهد که شاید داستان دیگری در اینجا وجود داشته باشد»، افزود ژنگیو شو. «در انتشار این کار، میخواهیم به جامعه علمی بگوییم که پدیدههای دیگری در مرز جزیره وارونگی رخ میدهند که هنوز بهطور کامل درک نکردهایم. ما باید به ترکیب کارهای تجربی و نظری ادامه دهیم تا این پدیدهها را بهطور دقیقتری بررسی کنیم.»
همکاری بین مؤسسات مرزهای فیزیک هستهای را گسترش میدهد
لیدیک اشاره کرد که هرچند استفاده از FDSi در FRIB نقش کلیدی در این پژوهش داشت، همکاری گستردهای بین FRIB، UTK، آزمایشگاه ملی آرگون و آزمایشگاه ملی اوک ریدج برای ابداع و پیادهسازی این ابزار شکل گرفته بود. «نقش من در این سامانه این است که بهعنوان تماس محلی FRIB عمل کنم»، گفت لیدیک. «من با مرکز ارتباط برقرار میکنم و اطمینان میدهم که همه هنگام اجرای آزمایشها در یک صفحه هستند، اما این همکاریهای بزرگ به افراد و تخصصهای فراوانی نیاز دارند. تمام این مؤسسات سیستمهای تشخیص خود را دارند و میخواهند آنها را به FRIB برای آزمایشها منتقل کرده و دانشجویان خود را در توسعهٔ آشکارسازها و خود پژوهش درگیر کنند.»
برای پلتیر، انجام یک آزمایش در همکاری با یک تیم چندمؤسسهای فیزیکدانان نه تنها منجر به انتشار یک مقاله در نشریهای در اوایل مسیر علمیاش شد، بلکه بهدست آوردهای جدیدی برای مسیر شغلی آیندهاش فراهم کرد. «این تجربه هم توجه من را به یک زمینهٔ مطالعاتی متمرکزتر کرد و هم دنیای آن زمینه را که پیش از این ندیده بودم، گسترش داد»، او گفت.
اطلاعات بیشتر: J.F. Peltier et al, شواهد بسته شدن پوسته N = 16 و انتشار نوترون پس از تجزیه بتا از 25F، Physics Letters B (2025). DOI: 10.1016/j.physletb.2025.139576
اطلاعات مجله: Physics Letters B
ارائهشده توسط دانشگاه ایالت میشیگان
منبع: اولین انتشار نوترون پس از تجزیه بتا در ایزوتپ نادر فلورین‑۲۵ مشاهده شد (2025، 20 دسامبر) بازیابی شده در 28 دسامبر 2025 از https://phys.org/news/2025-12-beta-delayed-neutron-emission-rare.html