Waarom dit atoomraadsel decennialang niemand kon oplossen

Stel je voor: je bent wetenschapper, je tuurt naar data van een deeltjesversneller, en je ziet iets wat geen enkele theorie kan verklaren. Een vreemde surplus aan gammastraling, zomaar tevoorschijn komend uit zinkatomen. Verwarrend? Je bent bepaald niet de enige — fysici over de hele wereld hebben hier jarenlang mee ingestaan.

Nou, houd je vast aan je labjas, want onderzoekers van het Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) aan de Michigan State University hebben dit kosmische raadsel nu opgelost. En eerlijk? De uitleg is cooler dan je zou verwachten.

Wat zagen die wetenschappers eigenlijk?

Even uitleggen wat gammastraling is: het is eigenlijk superkrachtig licht. Wanneer de kern van een atoom opgewonden raakt en daarna weer tot rust komt, spuugt die dat licht uit. Wetenschappers kunnen meten hoe vaak dit gebeurt bij verschillende energieën — een beetje zoals bijhouden hoe vaak iemand niest op verschillende volumeniveaus.

Hier komt het gekke: bij bepaalde atomen verschijnen er meer laag-energetische gammastralen dan iemand had voorspeld. Dit raadselachtige overschot heeft zelfs een deftige naam gekregen — de "low-energy enhancement." En jarenlang snapte niemand waar het vandaan kwam.

"We hadden dit totaal niet zien aankomen," legde Eleanor Ronning uit, hoofdauteur van de nieuwe studie, inmiddels werkzaam bij het Nationaal Instituut voor Kernfysica in Italië. "Het was best een schok toen het voor het eerst werd waargenomen."

Het zink-70 raadsel gekraakt

Het team richtte zich specifiek op zink-70 — klinkt als een bandnaam, maar het is gewoon een bepaald type zinkatoom. Met behoorlijk indrukwekkende experimentele opstellingen en analysetechnieken die meer dan tien jaar kostten om te ontwikkelen, ontdekten ze iets fascinerends: die extra gammastralen komen niet van de gebruikelijke "elektrische" overgangen ín de kern. In plaats daarvan worden ze veroorzaakt door iets dat magnetische overgangen heet.

Stel het je zo voor: stel je voor dat je naar dansers in een club kijkt (de kern dus). Meestal bewegen ze op een manier die een bepaald patroon van licht creëert. Maar soms maken ze een draaiende, magnetische beweging die extra glans geeft. Zo ongeveer werkt het — maar dan op subatomair niveau.

Waarom zou dit jou moeten interesseren? (Behalve dat het gewoon raar is)

Hier wordt het echt spannend. Dit is niet zomaar een nieuwsgierigheidje over zinkatomen. Die low-energy enhancement beïnvloedt namelijk hoe snel bepaalde kernreacties verlopen — en die reacties zijn verantwoordelijk voor het ontstaan van zware elementen die door het hele universum verspreid zijn.

Die spectaculaire supernova-explosies waarbij sterren sterven? En de ongelooflijk gewelddadige botsingen van neutronensterren die zwaartekrachtgolfdetectoren oppikken? Die kosmische evenementen zijn eigenlijk:elementfabrieken. Ze pletten lichtere atomen tegen elkaar en bouwen zo zwaardere op: goud, platina, uranium, en eigenlijk alles wat zwaarder is dan ijzer.

Hier komt het verband: wanneer wetenschappers deze kosmische smeltovens proberen te modelleren, moeten ze weten hoe snel verschillende kernreacties verlopen. Die low-energy enhancement kan die reactiesnelheden flink veranderen. Dus nu we het mechanisme erachter begrijpen, zouden onze modellen over hoe het universum al die zware elementen creëert — de stof voor je ring en je smartphone — een stuk nauwkeuriger moeten worden.

De jacht die tien jaar duurde

Wat mij het meest aangrijpt aan dit verhaal is niet alleen de ontdekking — het is de volharding. Het onderzoeksteam besteedde meer dan tien jaar aan het ontwikkelen van nieuwe experimentele technieken en analysemethoden, alleen maar om deze meting voor elkaar te krijgen. Dat is toewijding aan het begrijpen van iets werkelijk verwarrends.

"We gebruikten een innovatieve experimentele techniek die gespecialiseerde instrumenten combineert op een manier die effectively de hele faciliteit benutte," zei Sean Liddick, een van de onderzoekers. "Het is opwindend om te zien dat die inspanning tot zo'n duidelijk resultaat leidde."

Dit soort fundamenteel onderzoek herinnert me eraan waarom wetenschap zo boeiend is. Soms probeer je gewoon te begrijpen waarom zinkatomen zich vreemd gedragen, en blijkt dat je eigenlijk zit te kijken naar dezelfde processen die het calcium in je botten of het ijzer in je bloed hebben gecreëerd.

Het universum is gek als je er zo over nadenkt. En ergens daarboven worden nog steeds massive explosies uitgevoerd die nieuwe elementen smeden, reactie na reactie. Nu, dankzij slimme experimenten met zink, staan we een stapje dichterbij het begrijpen van hoe die kosmische alchemie precies werkt.

Best cool, toch?