Ядрен пъзел: Физици разкриха тайните на аномалните изотопи

Мистерията на тъмната материя вълнува учените вече почти век. Нейното присъствие във Вселената е очевидно, но досега никой не е успял да я види или измери. Може би разковничето е скрито в най-малките частици на обикновената материя – атомите, които вече могат да бъдат изследвани с невероятна точност.

Физиците получиха подсказка от необичайни експерименти с изотопи на итербий. През 2020 година група изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) изучават как се променят енергийните нива на електроните при преминаване от един изотоп в друг. Според съществуващите теории тези премествания би трябвало да образуват права линия на графиката. Тук обаче картината се оказала съвсем различна, изкривена – сякаш някаква неизвестна сила действа върху електроните, изкривявайки поведението им.

Науката отдавна предполага, че тъмната материя може да влияе на обикновената материя не само чрез гравитацията. Много учени предполагат съществуването на специални „тъмни сили“ – своеобразни посредници между двата вида материя. На теория те би трябвало да се проявяват на ниво елементарни частици, включително да влияят върху поведението на електроните. Ето защо аномалията в атомите на итербия привлече толкова голямо внимание: тя удивително точно съответстваше на теоретичните прогнози за това как биха могли да действат тези хипотетични сили.

За да се провери хипотезата бяха проведени редица нови експерименти, които надминаха стократно точността на всички предишни измервания.

Физиците използваха два независими метода: в единия случай наблюдаваха поведението на електроните с помощта на високочестотни йонни капани и свръхстабилни лазерни системи, а в другия случай измерваха масовите съотношения на изотопите с помощта на PENTATRAP – специален масспектрометър. Получените данни потвърдиха съществуването на аномалията.

Въпреки това, за да се разбере нейното естество бяха необходими нови теоретични изчисления. Група физици, ръководена от Ахим Швенк разработи по-точен модел на атомното ядро. Изчисленията разкриха по-сложна и интересна картина. Нелинейността в поведението на електроните възникнала, защото при добавянето на неутрони ядрото на атома на итербия не само се увеличило по размер, но и променило формата си – от почти сферично до забележимо издължено.

Тези промени създали нехомогенно електрическо поле, което повлияло по различен начин на енергийните нива на електроните в различните изотопи. За първи път учените успяха да проследят такива фини структурни промени в ядрото, като просто наблюдаваха поведението на електроните във външната обвивка на атома.

Междувременно изследователите са установили нови граници за търсенето на тъмните сили. Ако такива сили действат и между неутроните и електроните, тяхната интензивност трябва да е поне сто пъти по-малка от предполаганата досега. Това означава, че в мрежата те или съществуват в изключително слаба форма, или действат по съвсем различен начин от това, което теоретиците са предполагали.

Резултатите са важни не само за разбирането на структурата на атома. Те доближават учените до разгадаването на тайните на неутронните звезди – удивителни космически обекти, в които материята съществува при екстремни условия.

Знаейки как се държат ядрата с голям брой неутрони, физиците могат по-точно да опишат процесите, протичащи във вътрешността на тези мистериозни гиганти, но най-важното е, че работата показа колко е важно да се обединят различни области на физиката. Комбинацията от експериментални методи и теоретични изчисления ни позволява да навлезем по-дълбоко в тайните на материята, като ни приближава до разбирането на фундаменталната структура на Вселената.