Στο παραμύθι που έγραψε ο Dr. Seuss με τίτλο «Horton Hears a Who!» , ο ελέφαντας Χόρτον άκουγε μια θορυβώδη δραστηριότητα σε έναν κόκκο σκόνης. Μια παρόμοια ιστορία εκτυλίχθηκε σε ένα εργαστήριο, όπου οι φυσικοί ανίχνευσαν την διάσπαση ραδιενεργού πυρήνα, από την ανάκρουση σφαιριδίου μεγέθους σκόνης στο οποία ήταν ενσωματωμένος ο ραδιενεργός πυρήνες.
Σαν τον καλοκάγαθο ελέφαντα του παραμυθιού, oι φυσικοί ‘άκουσαν’ την ελάχιστη ανάκρουση ενός «κόκκου σκόνης» εξαιτίας της διάσπασης ραδιενεργού πυρήνα. Ο πυρήνας που έχει ένα μέγεθος της τάξης των fm (10−15m), βρισκόταν στο εσωτερικό μικροσκοπικού σφαιριδίου με εύρος της τάξης των μm (10-6m). H τεχνική που εφαρμόστηκε θα μπορούσε στο μέλλον να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης ή στην ανάλυση πυρηνικών και άλλων ραδιενεργών υλικών (πυρηνική εκληματολογία).
Το πείραμα υλοποιήθηκε χάρη στην πρόοδο της τεχνικής των οπτικών παγίδων. Το φως λέιζερ που προσπίπτει κατάλληλα σε ένα μικροσκοπικό διαφανές σφαιρίδιο ασκεί δυνάμεις ώστε να διατηρείται στο κέντρο της δέσμης. Παρακολουθώντας την κίνηση του αιωρούμενου σωματιδίου, οι φυσικοί μπορούν συνήθως να ανιχνεύουν εξαιρετικά μικρές δυνάμεις και επιταχύνσεις.
Στο πείραμά τους οι φυσικοί David Moore et al από το παναπιστήμιο του Yale εμφύτευσαν ραδιενεργά άτομα (212Pb) κοντά στην επιφάνεια μιας σφαίρας πυριτίου με μάζα 10 πικο-γραμμάρια(=10∙10−12 gr).
Οι ραδιενεργοί πυρήνες διασπάστηκαν μετά από αρκετές ώρες, με κάθε γεγονός διάσπασης να παράγει ένα σωματίδιο άλφα, που αποτελείται από 2 πρωτόνια και 2 νετρόνια. Oι ερευνητές ανίχνευσαν τα εξερχόμενα σωματίδια άλφα από την ανάκρουση του σφαιριδίου, παρά το γεγονός ότι το σωματίδιο άλφα ζυγίζει τρισεκατομμύρια φορές λιγότερο από το σφαιρίδιο.
Παρακολουθώντας την θέση του σφαιριδίου καταγράφοντας την «σκιά» του σε έναν ανιχνευτή, διέκριναν τα τρεμοπαίγματα που προκλήθηκαν από τις πυρηνικές διασπάσεις. Επίσης, χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια που βρίσκονταν στις πλευρές της παγίδας παρακολουθούσαν και το ηλεκτρικό φορτίο του σφαιριδίου, καταγράφοντας τις απότομες μεταβολές στο ηλεκτρικό φορτίο της μικρο-σφαίρας λόγω της εκπομπής των σωματιδίων άλφα.
Συνδυάζοντας την κίνηση του τρεμοπαίγματος του σφαιριδίου με τα άλματα του φορτίου, οι ερευνητές εντόπισαν διάφορα γεγονότα όπου η ορμή του σφαιριδίου μεταβαλλόταν κατά 10-19 kg∙m/sec – μια μεταβολή που προκαλεί η ανάκρουση εξαιτίας της εκπομπής σωματιδίου άλφα.
Αυτή η τεχνική θα μπορούσε ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί στη μελέτη ψηγμάτων που συλλέγονται από μια πυρηνική εγκατάσταση. Η μέτρηση των ωθήσεων ανάκρουσης στα ψήγματα θα μπορούσε να εντοπίσει τους ραδιενεργούς πυρήνες που πιθανόν να είναι υπογραφές απαγορευμένου εμπλουτισμού. Κάτι που δεν μπορεί να γίνει με τους συνήθεις ανιχνευτές ακτινοβολίας.
Με την ίδια μέθοδο θα μπορούσε επίσης να αναζητηθεί πιθανή ανάκρουση από υποθετικά σωματίδια, όπως στείρα νετρίνα ή κάποιων τύπων σωματιδίων σκοτεινής ύλης.
Όταν λοιπόν μπορούμε να παρατηρήσουμε τόσο μικροσκοπικές ανακρούσεις σε έναν κόκκο σκόνης, ποιος ξέρει τι άλλο θα μπορούσαμε να ανακαλύψουμε;
πηγή: Sensing a Nuclear Kick on a Speck of Dust – https://physics.aps.org/articles/v17/108 (εικονογράφηση Laura Canil – κείμενο Michael Schirber).
Μερικές επιπλέον λεπτομέρειες για το πείραμα που περιγράφηκε παραπάνω περιέχονται στο προσάρτημα που ακολουθεί:
Ανίχνευσαν την διάσπαση ραδιενεργών πυρήνων από την ανάκρουση ενός αιωρούμενου σφαιριδίου πυριτίου
Oι πειραματικοί φυσικοί πάντα εκμεταλλεύονταν την διατήρηση της ορμής ως ένα ισχυρό μέσο για την ανάλυση δυναμικών διεργασιών όπως, οι συγκρούσεις μιας μπάλας στο μπιλιάρδου μέχρι τον σχηματισμό γαλαξιών και τη δημιουργία υποατομικών σωματιδίων σε επιταχυντές. Στο πείραμα που περιγράφεται παραπάνω σε μορφή κόμικ, ο David Moore και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν την διατήρηση της ορμής σε ένα νέο περιβάλλον για να προσδιορίσουν πότε ένας ραδιενεργός πυρήνας εκπέμπει έναν και μόνο πυρήνα ηλίου, γνωστό ως σωματίδιο άλφα.
Ο ραδιενεργός πυρήνας ήταν ενσωματωμένος σε ένα μεγαλύτερο αντικείμενο, και το ζητούμενο ήταν να ανιχνευθεί η ανάκρουσή του από την εκπομπή του σωματιδίου άλφα. Ένας από τους κύριους περιορισμούς είναι η τριβή: αν το μεγαλύτερο αντικείμενο επιβραδύνεται από δυνάμεις τριβής, τότε η κίνησή του δεν θα αντανακλά την ανάκρουση του ραδιενεργού πυρήνα.
Η πειραματική ομάδα του Moore χρησιμοποίησε μια μικρο-σφαίρα πυριτίου ως μεγαλύτερο αντικείμενο, την οποία αιώρησαν σε οπτική παγίδα υπό υψηλό κενό για να ελαχιστοποιήσουν την τριβή. Η αιώρηση μικροσκοπικών αντικειμένων χρησιμοποιώντας οπτικές, ηλεκτρικές ή μαγνητικές δυνάμεις παρέχει εξαιρετική απομόνωση από το περιβάλλον. Επιπλέον, το φως που σκεδάζεται από ένα αιωρούμενο αντικείμενο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση της θέσης του με υψηλή ακρίβεια, το οποίο με τη σειρά του επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο της κίνησης του αντικειμένου μέσω ηλεκτρικής ή οπτικής ανάδρασης. Οι αιωρούμενες νανοσφαίρες σε οπτικές παγίδες βρίσκονται στην θεμελιώδη κβαντομηχανική κατάστασή τους. Σ’ αυτές τις συνθήκες είναι δυνατές οι μετρήσεις πολύ μικρών δυνάμεων (της τάξης των 10-20 Νewtons) που ασκούνται στα αιωρούμενα σφαιρίδια και επιταχύνσεις της τάξης των 10-7g, σε χρόνο παρατήρησης ενός δευτερολέπτου.
Το πρώτο βήμα στο πείραμα ήταν η εμφύτευση ραδιενεργών ατόμων μολύβδου-212 στα σφαιρίδια πυριτίου – μερικές δεκάδες άτομα σε απόσταση 30 νανόμετρα (nm) από την επιφάνεια κάθε μικρο-σφαίρας. Μετά την εμφύτευση, ένα μικροσφαιρίδιο τη φορά αιωρείτο στην οπτική παγίδα χρησιμοποιώντας μια εστιασμένη δέσμη λέιζερ, η οποία σχημάτιζε την λεγόμενη οπτικό λαβίδα, μια μέθοδο που αναπτύχθηκε για πρώτη φορά από τον Arthur Ashkin και τους συνεργάτες του.(βλέπε: Οι οπτικές λαβίδες και το βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2018). Χάρη στην κυκλική πόλωση του λέιζερ, η μικροσφαίρα περιστρεφόταν σε συχνότητες πάνω από 100 kHz, παρέχοντας γυροσκοπική σταθερότητα που καθόριζε τον προσανατολισμό του άξονα περιστροφής του σωματιδίου.
Στη συνέχεια, ο θάλαμος που περιείχε την μικροσφαίρα τέθηκε σε πίεση περίπου 10-10atm και τα δεδομένα ανάκρουσης καταγράφονταν συνεχώς για κάθε μικροσφαίρα για δύο έως τρεις ημέρες. Ο μόλυβδος-212 έχει χρόνο ημιζωής 10,6 ώρες και οι ερευνητές αναζητούσαν στοιχεία για την πυρηνική του διάσπαση προς το σταθερό ισότοπο μόλυβδος-208 μέσω της εκπομπής σωματιδίων βήτα (ηλεκτρόνια) αρχικά, και σωματιδίων άλφα στη συνέχεια.
(β) Σχηματική διαδικασία εμφύτευσης πυρήνων 212Pb στα μικροσφαιρίδια πυριτίου.
(γ) Μια άποψη των ηλεκτροδίων που περιβάλλουν την οπτική παγίδα (δεν φαίνονται, ένα πρόσθετο ηλεκτρόδιο στην μπροστινή όψη και δύο ασθενείς δέσμες απεικόνισης)
(δ) Σχηματική ανάκρουση σφαίρας μετά από διάσπαση α πυρήνα 212Bi ή 212Po, κατά την οποία ο θυγατρικός πυρήνας ακινητοποιείται εντός του σφαιριδίου ενώ το σωματίδιο α εξέρχεται από αυτό. Σ‘ αυτή την περίπτωση, η ορμή του σωματιδίου α συνδέεται με την ορμή που αποκτά το σφαιρίδιο με την αρχή διατήρησης της ορμής.
Λήφθηκαν δεδομένα για έξι μικροσφαίρες και δύο παράλληλες μέθοδοι επέτρεψαν στους ερευνητές να εντοπίσουν τις πυρηνικές διασπάσεις. Η πρώτη μέθοδος ήταν ηλεκτρική: η απόκριση της μικροσφαίρας σε ένα ταλαντούμενο ηλεκτρικό πεδίο αποκάλυπτε την προκύπτουσα περίσσεια φορτίου εξαιτίας της εκπομπής του φορτισμένου σωματιδίου άλφα. Το ηλεκτρικό φορτίο μπορούσε να προσδιοριστεί με ακρίβεια ενός στοιχειώδους φορτίου, του ηλεκτρονίου ή του πρωτονίου. Μια μικροσφαίρα χωρίς εμφυτευμένο μόλυβδο-212 δεν έδειξε μεταβολή φορτίου σε διάστημα τριών ημερών.
Η δεύτερη μέθοδος ήταν οπτική: το φως που διασκεδαζόταν από την μικροσφαίρα παρείχε ακριβείς πληροφορίες σχετικά με την κίνησή της στην οπτική παγίδα. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την πρώτη μέθοδο για να προσδιορίσουν 83 συμβάντα στα οποία το ηλεκτρικό φορτίο μεταβλήθηκε και στη συνέχεια χρησιμοποίησαν την δεύτερη μέθοδο για να ανακατασκευάσουν την ώθηση που δέχθηκε μικροσφαίρα σε κάθε γεγονός. Η ανάλυση των δεδομένων τους έδειξαν να συμφωνούν με την προβλεπόμενη απόκριση από τις διασπάσεις άλφα και βήτα. Στην ουσία μόνο οι διασπάσεις άλφα συμβάλλουν στο σήμα της ανάκρουσης. Οι διασπάσεις βήτα δεν μπορούν να διακριθούν από το υπόβαθρο.
Αυτό το πείραμα έδειξε ότι μια πυρηνική διάσπαση μπορεί να ανιχνευθεί από την ανάκρουση μιας μικροσφαίρας πυριτίου που είναι 1012 φορές βαρύτερη από τα προϊόντα αποσύνθεσης. Επιπλέον, μετρώντας παράλληλα την ανάκρουση και τη φόρτιση του σφαιριδίου, οι ερευνητές αύξησαν την ευαισθησία της μέτρησής τους έτσι ώστε να μπορεί να ανιχνεύσει γεγονότα που συμβαίνουν τόσο σπάνια όσο μία φορά την ημέρα. Ένας τρόπος για να βελτιωθεί περαιτέρω η ευαισθησία είναι η χρήση ενός αιωρούμενου σφαιριδίου με μικρότερη μάζα. Ο Moore και οι συνεργάτες του έχουν προτείνει την μελέτη των ιδιοτήτων νετρίνων με μια μάζα σφαιριδίου 100 φορές μικρότερη από αυτή που χρησιμοποιήθηκε σε αυτό το πείραμα.
πηγές:
1. Nuclear Decay Detected in the Recoil of a Levitating Bead – https://physics.aps.org/articles/v17/107
2. Mechanical detection of nuclear decays – https://arxiv.org/abs/2402.13257
Κατηγορίες:ΑΤΟΜΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ, ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ, ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ
physicsgg 
Σχολιάστε