Fizycy rozwiązali zagadkę, która dręczyła ich od dekad. Chodzi o dziwne zachowanie atomów cynku

Wyobraź sobie taką sytuację: jesteś naukowcem, wpatrujesz się w dane z akceleratora cząstek i nagle widzisz coś, czego żadna teoria nie przewiduje. Tajemniczy nadmiar promieniowania gamma, wydobywający się z atomów cynku bez wyraźnego powodu. Brzmi zagadkowo? No to baw się dobrze — przez dziesięciolecia fizycy na całym świecie głowili się właśnie nad tym fenomenem.

Ale spokojnie, trzymaj się mocno — badacze z Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) na Uniwersytecie Stanowym Michigan właśnie rozwiązali tę kosmiczną zagadkę. I szczerze? Odpowiedź jest ciekawsza, niż mogłoby się wydawać.

Co takiego obserwowali naukowcy?

Promieniowanie gamma to po prostu światło o ekstremalnie wysokiej energii. Kiedy jądro atomu zostaje wzbudzone, a potem wraca do stanu równowagi, wyrzuca właśnie takie promieniowanie. Fizycy mierzą, ile razy to się dzieje przy różnych poziomach energii — trochę jakbyśmy liczyli, ile razy ktoś kicha przy różnych głośnościach.

I tutaj zaczyna się robić dziwnie. Przy niektórych atomach pojawia się więcej promieniowania gamma o niskiej energii, niż ktokolwiek przewidywał. Ten tajemniczy nadmiar doczekał się nawet oficjalnej nazwy — „wzmocnienie niskich energii" (low-energy enhancement). Przez lata nikomu nie udało się wyjaśnić, skąd się bierze.

„Kompletnie tego nie przewidzieliśmy" — mówi Eleanor Ronning, główna autorka badania, obecnie pracująca w Narodowym Instytucie Fizyki Jądrowej we Włoszech. „To był prawdziwy szok, gdy to zjawisko po raz pierwszy zaobserwowano."

Sprawa cynku-70 rozwiązana

Zespół skupił się na cynku-70 — brzmi jak nazwa zespołu muzycznego, ale to po prostu konkretny izotop cynku. Wykorzystując niesamowicie zaawansowane metody doświadczalne i analityczne, nad którymi pracowano ponad dekadę, naukowcy dokonali fascynującego odkrycia: dodatkowe promieniowanie gamma nie pochodzi z zwykłych przejść „elektrycznych" wewnątrz jądra. Za wszystkim stoją tak zwane przejścia magnetyczne.

Pozwól, że posłużę się analogią. Wyobraź sobie tancerzy w klubie — tym jądrze atomu. Zazwyczaj poruszają się w określony sposób, tworząc określony wzór świetlny. Ale czasem wykonują ten specyficzny, kręcący się ruch o charakterze magnetycznym, który wytwarza dodatkową poświatę. Mniej więcej to samo dzieje się, tylko na skali subatomowej.

Dlaczego w ogóle powinno cię to obchodzić?

No i tutaj robi się naprawdę interesująco. To nie jest tylko ciekawostka dotycząca atomów cynku. Wzmocnienie niskich energii wpływa na szybkość zachodzenia pewnych reakcji jądrowych — a te reakcje są odpowiedzialne za powstawanie ciężkich pierwiastków rozsianych po całym Wszechświecie.

Znasz te spektakularne wybuchy supernowych, które są śmiertelnycm krzykiem gwiazd? Albo niewiarygodnie gwałtowne zderzenia gwiazd neutronowych, które wykrywają detektory fal grawitacyjnych? Te kosmiczne zjawiska to w zasadzie fabryki pierwiastków. Zgniatają lżejsze atomy razem, budując z nich cięższe — złoto, platynę, uran i w zasadzie wszystko, co jest cięższe od żelaza.

Oto gdzie pojawia się połączenie: kiedy naukowcy próbują modelować te kosmicznePiece, muszą wiedzieć, jak szybko przebiegają różne reakcje jądrowe. Wzmocnienie niskich energii może znacząco zmieniać tempo tych reakcji. Więc teraz, gdy rozumiemy mechanizm stojący za tym zjawiskiem, nasze modele tego, jak Wszechświat tworzy wszystkie te ciężkie pierwiastki — te w naszej biżuterii i smartfonach — powinny być o wiele dokładniejsze.

Polowanie trwające dekadę

To, co najbardziej mnie imponuje w tej historii, to nie samo odkrycie — to wytrwałość. Zespół badawczy poświęcił ponad dziesięć lat na rozwój nowych technik eksperymentalnych i metod analizy, żeby precyzyjnie zmierzyć to zjawisko. To prawdziwa dedykacja w dążeniu do zrozumienia czegoś naprawdę zagadkowego.

„Wykorzystaliśmy innowacyjną technikę eksperymentalną, która łączy specjalistyczne przyrządy w sposób efektywnie wykorzystujący całe laboratorium" — mówi Sean Liddick, jeden z badaczy. „To ekscytujące, gdy ten wysiłek prowadzi do tak jednoznacznego wyniku."

Ten rodzaj podstawowych badań przypomina mi, dlaczego nauka jest tak fascynująca. Czasem po prostu próbujesz zrozumieć, dlaczego atomy cynku zachowują się dziwnie, a okazuje się, że tak naprawdę zaglądasz w te same procesy, które stworzyły wapń w twoich kościach czy żelazo we krwi.

Wszechświat jest szalony, gdy się nad tym zastanowić. A gdzieś tam, w przestrzeni kosmicznej, potężne eksplozje wciąż kuja nowe pierwiastki, jedną reakcją jądrową na raz. Teraz, dzięki sprytnym eksperymentom z cynkiem, jesteśmy o krok bliżej zrozumienia, jak dokładnie działa ta kosmiczna alchemia.

Niezłe, prawda?