انقلاب علمی: کشف رازهای کهن با یون‌های تالیوم 205

خورشید و انرژی حیات

خورشید، موتور اساسی که زندگی را بر روی زمین حفظ می‌کند، انرژی فوق‌العاده 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 — زمانی که شامل تکامل انسان و تغییرات اقلیمی قابل توجه می‌شود.

هدف LOREX

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

آزمایش نوترینو خورشیدی

LOREX تنها آزمایش نوترینو خورشیدی ژئوشیمیایی درازمدت است که هنوز به طور فعال دنبال می‌شود. این آزمایش که در دهه ۱۹۸۰ پیشنهاد شد، هدفش اندازه‌گیری جریان نوترینو خورشیدی به طور میانگین در طول چهار میلیون سال است که با سن زمین‌شناسی سنگ معدن لوراندیت مطابقت دارد. نوترینوهای تولید شده در خورشید با اتم‌های تالیوم (Tl) که در کانی لوراندیت (TlAsS2) وجود دارند، تعامل کرده و آنها را به اتم‌های سرب (Pb) تبدیل می‌کنند.

ایزوتوپ 205Pb

ایزوتوپ 205Pb به دلیل نیمه‌عمر طولانی ۱۷ میلیون ساله‌اش به خصوص جالب است، که آن را در طول زمان چهار میلیون ساله سنگ معدن لوراندیت به طور اساسی پایدار می‌سازد. از آنجا که در حال حاضر اندازه‌گیری مستقیم مقطع نوترینو بر روی 205Tl امکان‌پذیر نیست، محققان در GSI/FAIR در دارمشتات، آلمان، روشی هوشمندانه برای اندازه‌گیری کمیت‌های مربوط به فیزیک هسته‌ای که برای تعیین مقطع نوترینو نیاز است، ابداع کرده‌اند.

تحقیقات نوین در فیزیک هسته‌ای و نجوم

آنها از این واقعیت بهره‌برداری کردند که این کمیت، یعنی عنصر ماتریس هسته‌ای، همچنین نرخ تجزیه بتای حالت محدود ایزوتوپ کاملاً یونیزه 205Tl⁸¹⁺ به 205Pb⁸¹⁺ را تعیین می‌کند. اندازه‌گیری تجربی نیمه‌عمر تجزیه بتای حالت محدود یون‌های کاملاً یونیزه 205Tl⁸¹⁺ 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 205Tl⁸¹⁺ با استفاده از واکنش‌های هسته‌ای در جداکننده تکه‌های GSI/FAIR تولید شدند و سپس به مدت کافی ذخیره شدند تا تجزیه آنها قابل مشاهده و به‌طور موفقیت‌آمیز در حلقه ذخیره‌سازی اندازه‌گیری شود. پروفسور یوری آ. لیتوینوف، سخنگوی این آزمایش و محقق اصلی گرنت تجمیعی شورای تحقیقات اروپا (ERC) ASTRUm، گفت: “دهه‌ها پیشرفت مداوم در فناوری شتاب‌دهنده این امکان را فراهم کرد که یک پرتو یون 205Tl⁸¹⁺ 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 205Tl⁸¹⁺ را 291 (+33/-27) روز اندازه‌گیری کرد، که یک اندازه‌گیری کلیدی است که امکان تعیین مقطع جذب نوترینوهای خورشیدی را فراهم می‌کند.”

پس از تعیین غلظت اتم‌های 205Pb در مواد معدنی لوراندیت توسط پروژه LOREX، امکان ارائه بینش‌هایی درباره تاریخ 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 هسته‌ای نجومی 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 نقشی 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 بی‌نهایت ارزشمند بود، تقدیم می‌شود.