Atomen har ett hemligt liv som förbryllade forskare i decennier

Jag erkänner det gärna — fysiklektionerna på gymnasiet fick mig att kämpa mot sömnen mer än en gång. Men ibland händer något i forskningsvärlden så fascinerande att även den mest vetenskapsskygga personen måste räta på sig.

Det här är ett sådant ögonblick.

Gåtan som förbryllade i årtionden

Låt mig förklara grunderna först. Atomer består av protoner och neutroner packade i en liten kärna, omgivna av elektroner. Ibland blir dessa kärnor "exciterade" — de svänger som små astronauter med för mycket kaffe — och när de lugnar ner sig släpper de ut energi i form av gammastrålning. Tänk dig en hoppboll som finally slår ner efter att du kastat den i luften.

Under årens lopp lade forskare märke till något konstigt. Vissa atomkärnor avgav betydligt fler lågenergetiska gammastrålar än deras fysikmodeller förutsåg. Det hände inte överallt — bara i vissa atomer, under vissa förhållanden. Och här kommer det verkligt mystiska: ingen kunde lista ut varför eller vilka atomer som betedde sig så.

Eleanor Ronning, forskare som arbetade med problemet, uttryckte det enkelt: "Denna lågenergiförstärkning var inte förutsagd av teorin, så det var lite av en chock för forskarsamhället."

Fritt översatt: till och med experterna blev helt tagna på sängen. Vilket, ärligt talat, inte är så lugnande när vi litar på att dessa samma forskare ska förstå kärnkraftsreaktorer och vad som händer inuti stjärnor. Men mer om det senare.

Vad är det som har hänt?

Ett forskarlag från Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) och Lawrence Livermore National Laboratory har precis publicerat sina resultat i Nature, och de har äntligen hittat svaret. Och gissa vad? Det handlar allt om dold magnetism inne i atomer.

Forskarna tittade närmare på hur radioaktivt koppar sönderfaller till zink. Med hjälp av ordentligt sofistikerade instrument kunde de isolera två olika typer av kärnövergångar som sker under detta sönderfall.

Här blir det intressant. Den första övergången var vad forskarna kallar en "elektrisk" övergång — i princip en omarrangemang av protonerna inne i kärnan, som byter positioner.

Men den andra var annorlunda. Detta var en "magnetisk" övergång, där protonerna och neutronerna inne i kärnan vände sina inre magnetiska egenskaper. Som små kompassnålar som alla snurrar samtidigt.

Och här kommer den avgörande upptäckten: endast den magnetiska övergången producerade den mystiska extra gammastrålningen. Den elektriska övergången? Helt normal. Till och med lite tråkig.

Varför borde du bry dig?

Nu vet jag vad du tänker. "Jättebra för fysiker, men vad betyder det för mig?"

Rättvis fråga. Här är varför det här spelar roll:

Först, det hjälper oss förstå universum bättre. De kärnreaktioner som sker inuti stjärnor, supernovaexplosioner och de episka kollisionerna mellan neutronstjärnor som skapar guld och andra tunga grundämnen? De involverar alla gammastrålning. Nu har vi bättre koll på hur dessa processer fungerar.

Sedan, och det här engagerar de som jobbar med nationell säkerhet, förståelsen av dessa kärnprocesser hjälper forskare att verifiera kärnvapenavtal och utreda kärnkraftsrelaterade händelser. Om någon detonerar ett kärnvapen eller har ett hemligt kärnkraftsprogram, kan dessa gammastrålningssignaturer hjälpa oss att förstå vad som hände.

Tredje, det finns kärnkraften. Ju mer vi förstår om hur atomkärnor beter sig, desto bättre kan vi förutsäga och modellera kärnreaktioner — vilket, när man försöker generera elektricitet från några av de mest kraftfulla reaktionerna i naturen, är rätt viktigt.

Den större bilden

Det jag tycker är mest fascinerande med den här historien är inte själva upptäckten — det är påminnelsen om att även efter årtionden av att studera atomen, finns det fortfarande överraskningar som väntar. Vi tror att vi har förstått fysiken, och så kommer något som detta och bevisar motsatsen.

Forskarteamet hävdar inte att de har löst allt. De studerade en specifik kärna, och det finns hundratals andra som kanske beter sig annorlunda. Men det här är ett "viktigt steg framåt", som en forskare uttryckte det. En grund att bygga vidare på.

Och ärligt? Det ger mig lite mer tillit till de fysiklektioner jag en gång somnade i. Vetenskap handlar inte om att ha alla svar — det handlar om att ställa bättre frågor. Och ibland tar det årtionden av tålmodigt arbete för att lista ut varför något mystisk överhuvudtaget händer.

Så nästa gång någon säger att fysik är tråkigt, kan du berätta om den hemliga magnetiken som gömmer sig inne i atomer och skapar gammastrålar som ingen förväntade sig. Det kanske inte gör dig populär på fester, men åtminstone är det mer intressant än vad du åt till frukost.

• källa: ScienceDaily