رازگشایی از تاریخ خورشیدی با نابودی تالیوم-۲۰۵ بدون پوشش

خورشید: موتور حیاتی زندگی بر روی زمین

خورشید، موتور اساسی که زندگی را بر روی زمین حفظ می‌کند، انرژی عظیم خود را از طریق فرآیند همجوشی هسته‌ای تولید می‌کند. در عین حال، این ستاره یک جریان مداوم از نوترینوها را آزاد می‌کند؛ ذراتی که به عنوان پیام‌آوران دینامیک داخلی آن عمل می‌کنند. اگرچه آشکارسازهای نوترینو مدرن رفتار فعلی خورشید را فاش می‌کنند، اما سوالات مهمی درباره ثبات آن در طول میلیون‌ها سال باقی مانده است. این دوره شامل تکامل انسان و تغییرات اقلیمی قابل توجه است.

هدف LOREX: درک ثبات بلندمدت خورشید

یافتن پاسخ به این سوالات، هدف آزمایش LORandite EXperiment (LOREX) است که نیاز به دانش دقیقی از مقطع عرضی نوترینوهای خورشیدی بر روی تالیوم دارد. این اطلاعات اکنون توسط یک همکاری بین‌المللی از دانشمندان که از امکانات منحصر به فرد GSI/FAIR در دارمشتات استفاده کرده‌اند، فراهم شده است. این همکاری به اندازه‌گیری‌های بنیادی دست یافته است که به درک ثبات بلندمدت خورشید کمک خواهد کرد. نتایج این اندازه‌گیری‌ها در نشریه علمی Physical Review Letters منتشر شده است.

آزمایش LOREX: یک پروژه منحصر به فرد

LOREX تنها آزمایش نوترینو خورشیدی ژئوشیمیایی درازمدت است که همچنان به طور فعال دنبال می‌شود. این پروژه که در دهه ۱۹۸۰ پیشنهاد شد، هدفش اندازه‌گیری جریان نوترینو خورشیدی به مدت چهار میلیون سال است که معادل سن زمین‌شناسی سنگ معدن لوراندیت می‌باشد. نوترینوهای تولید شده در خورشید ما با اتم‌های تالیوم (Tl) که در معدنی به نام لوراندیت (TlAsS2) وجود دارند، تعامل می‌کنند و آنها را به اتم‌های سرب (Pb) تبدیل می‌کنند.

جذابیت ایزوتوپ 205Pb

ایزوتوپ 205Pb به دلیل نیمه‌عمر طولانی ۱۷ میلیون ساله‌اش، به طور خاص جالب است و در واقع در طول چهار میلیون سال سن سنگ معدن لوراندیت پایدار باقی می‌ماند. از آنجایی که در حال حاضر اندازه‌گیری مستقیم مقطع عرضی نوترینو بر روی 205Tl ممکن نیست، محققان در GSI/FAIR در دارمشتات، آلمان، روشی هوشمندانه برای اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیک هسته‌ای مرتبط با تعیین مقطع عرضی نوترینو ابداع کرده‌اند.

تحقیقات نوین در فیزیک هسته‌ای و تأثیر آن بر درک تاریخچه خورشید

آنها از این واقعیت بهره‌برداری کردند که این کمیت، یعنی عنصر ماتریس هسته‌ای، همچنین نرخ تجزیه بتای حالت باند شده ۲۰۵Tl⁸¹⁺ به ۲۰۵Pb⁸¹⁺ را تعیین می‌کند. اندازه‌گیری تجربی نیمه‌عمر تجزیه بتای حالت باند شده یون‌های کاملاً یونیزه ۲۰۵Tl⁸¹⁺ تنها به لطف قابلیت‌های منحصر به فرد حلقه ذخیره‌سازی تجربی (ESR) در GSI/FAIR ممکن شد. در حال حاضر، ESR تنها تسهیلاتی است که چنین اندازه‌گیری‌هایی در آن امکان‌پذیر است.

یون‌های ۲۰۵Tl⁸¹⁺ با استفاده از واکنش‌های هسته‌ای در جداکننده قطعات (FRS) GSI/FAIR تولید شدند و سپس به مدت کافی ذخیره شدند تا تجزیه آن‌ها در حلقه ذخیره‌سازی مشاهده و با موفقیت اندازه‌گیری شود. پروفسور یوری آ. لیتوینوف، سخنگوی این آزمایش و محقق اصلی گرنت همبستگی شورای تحقیقات اروپا (ERC) ASTRUm، گفت: “دهه‌ها پیشرفت‌های مداوم در فناوری شتاب‌دهنده‌ها این امکان را فراهم کرد که یک پرتو یون ۲۰۵Tl⁸¹⁺ قوی و خالص تولید کنیم و تجزیه آن را با دقت بالا اندازه‌گیری کنیم.”

دکتر روی-جیو چن، پژوهشگر پسادکتری که در این پروژه مشارکت داشت، توضیح داد: “تیم ما نیمه‌عمر تجزیه بتای ۲۰۵Tl⁸¹⁺ را ۲۹۱ (+۳۳/-۲۷) روز اندازه‌گیری کرد که یک اندازه‌گیری کلیدی است و به ما این امکان را می‌دهد که مقطع جذب نوترینوهای خورشیدی را تعیین کنیم.”

زمانی که غلظت اتم‌های ۲۰۵Pb در مواد معدنی لوراندیت توسط پروژه LOREX تعیین شود، امکان ارائه بینش‌هایی درباره تاریخچه تکاملی خورشید و ارتباط آن با اقلیم زمین در طول هزاران سال فراهم خواهد شد. پروفسور گابریل مارتینز-پیندو و دکتر توماس نف، که کار نظری برای تبدیل اندازه‌گیری به مقطع نوترینو را رهبری کردند، گفتند: “این آزمایش مهم قدرت فیزیک نجومی هسته‌ای را در پاسخ به سوالات بنیادی درباره جهان نشان می‌دهد.”

دکتر راگاندیپ سینگ سیدو، نویسنده اول این انتشار، بر اهمیت گسترده‌تر آن تأکید کرد: “این آزمایش نشان می‌دهد که چگونه یک اندازه‌گیری واحد، هرچند چالش‌برانگیز، می‌تواند نقش محوری در پاسخ به سوالات علمی مهم مرتبط با تکامل خورشید ما ایفا کند.”

این انتشار به یاد همکاران فقید، فریتز بوش، هانس گیسل، پل کیندل و فریتز نولدن، که سهم آنها در موفقیت این پروژه حیاتی بود، تقدیم می‌شود.