الفيزيائيون يلاحظون أن فكرة “الذاكرة” النووية مستحيلة

أجرى باحثون من جامعة تكساس قياسات نادرة للتحلل النووي الغريب الذي يعيد تشكيل الطريقة التي يعتقد بها العلماء أن العناصر الثقيلة تتشكل في الأحداث الكونية المتطرفة.

لا يمكنك الحصول على الذهب دون اضمحلال نواة الذرة، ومع ذلك كان من الصعب تأكيد التفاصيل الكامنة وراء هذا التحول منذ فترة طويلة. أبلغ الباحثون في الفيزياء النووية في جامعة تكساس الآن عن ثلاث نتائج رئيسية في دراسة واحدة توضح أجزاء مهمة من هذه العملية. يقدم عملهم إرشادات جديدة لتطوير النماذج التي تشرح كيفية تكوين النجوم للعناصر الثقيلة وقد تحسن التنبؤات حول سلوك النوى الغريبة قصيرة العمر الموجودة في جميع أنحاء الكون.

فيزياء بلينغ

تتشكل العناصر مثل الذهب والبلاتين فقط في بيئات ذات طاقة شديدة، بما في ذلك انهيار النجوم، أو الأحداث النجمية المتفجرة، أو الاصطدامات بين البقايا الكثيفة. أثناء عملية التقاط النيوترونات السريعة (أو عملية r للاختصار)، تمتص النواة الذرية النيوترونات بسرعة كبيرة بحيث تصبح ثقيلة بشكل غير عادي وتتحلل في النهاية إلى أشكال أكثر استقرارًا.

أثناء تحركه عبر المخطط النووي، يمر مسار عملية r عبر المناطق التي يكون فيها السلوك السائد هو اضمحلال بيتا للنواة الأصلية، يليه إطلاق نيوترونين. ونظرًا لصعوبة إنشاء هذه النوى وقياسها بشكل مباشر (وفي بعض الحالات مستحيلة)، يعتمد العلماء على النماذج النظرية التي يجب اختبارها من خلال تجارب يتم التحكم فيها بعناية.

للحصول على رؤية أكثر وضوحًا لهذا التسلسل من الأحداث، تعاون فريق يضم طلاب الدراسات العليا في جامعة تكساس بيتر ديسزل وجاكوب جوج، والبروفيسور روبرت جرزيواتش، والأستاذ المشارك ميغيل مادورجا، والباحث المشارك مونيكا بيرسا سيلكوسكا مع باحثين من عدة مؤسسات. وباستخدام تقنيات تحليل البيانات التي طورها البروفيسور المساعد للأبحاث زينغيو شو، ركزوا عملهم على كميات كبيرة من الإنديوم-134.

وأوضح غرزيواتش: “من الصعب تصنيع هذه النوى وتتطلب الكثير من التكنولوجيا الجديدة لتصنيعها بكميات كافية”.

محطة الاضمحلال ISOLDE في سيرن واجه هذا التحدي من خلال توفير الكثير من نوى الإنديوم 134، بالإضافة إلى تقنية فصل الليزر المتطورة للتأكد من أنها نقية. عندما يضمحل الإنديوم-134، فإنه يملأ الحالات المثارة في القصدير-134، والقصدير-133، والقصدير-132. باستخدام كاشف النيوترونات الممول من برنامج أدوات الأبحاث الكبرى التابع لمؤسسة العلوم الوطنية والذي تم بناؤه في جامعة تكساس، حقق العلماء ثلاثة اكتشافات مهمة. وفي أعلى القائمة، أجروا أول قياس لطاقات النيوترونات لانبعاث نيوترونين بيتا المتأخر.

وقال جرزيواتش: “إن انبعاث النيوترونين هو أكبر صفقة”.

يحدث انبعاث نيوترونين بيتا المتأخر فقط في النوى الغريبة، تلك التي تكون قصيرة العمر وغير مستقرة. إن طاقة فصل النيوترونين صغيرة جدًا، لكنها في هذه التجربة كانت كافية للقياس.

وأوضح غرزيواتش: “السبب في صعوبة ذلك هو أن النيوترونات تحب الارتداد. ومن الصعب معرفة ما إذا كانت واحدة أم اثنتين”. وفي المحاولات السابقة، «لم يقم أحد بقياس الطاقات»، لذا فإن هذا النهج «يفتح مجالًا جديدًا تمامًا».

هذه هي الدراسة الأولى التي توضح بالتفصيل انبعاث نيوترونين للنواة التي تتبع مسار العملية r، مما يفتح الباب أمام نماذج أكثر وضوحًا حول كيف يمكن للأحداث النجمية أن تخلق عناصر مثل الذهب.

تين لا ينسى أبدًا

وكان الاكتشاف الثاني هو الملاحظة الأولى لحالة نيوترونية أحادية الجسيم طال انتظارها في القصدير-133. أوضح Grzywacz أن “القصدير في حالة مثارة. (هو) يجب أن يبرد. يمكنه أن يقذف نيوترونًا، أو، مع ما يكفي من الطاقة، يمكنه أن يقذف نيوترونين. يجب أن يبصق دائمًا نيوترونين، لكنه لا يفعل ذلك”.

وقال إن وجهة النظر التقليدية هي أن القصدير “يغلي” النيوترونات ليبرد، ليصبح “نواة فاقد الذاكرة”، دون أي ذاكرة لاضمحلال بيتا.

قال جرزيواتش: “نقول إن القصدير لا ينسى”. “هذا “الظل” من الإنديوم لا يختفي تمامًا. ولا يتم مسح الذاكرة.”

في هذه التجربة، حددت أجهزة كشف النيوترونات الحديثة هذه الحالة المراوغة، مما يشير إلى أن هناك حاجة إلى إطار نظري أفضل لفهم سبب انبعاث نيوترون واحد أحيانًا، وأحيانًا انبعاث نيوترونين.

وقال جرزيواتش: “لقد بحث الناس عنه لمدة 20 عامًا ووجدناه”. “هذان النيوترونان سمحا لنا برؤية هذه الحالة.”

وأوضح أن هذه الحالة المرصودة حديثًا هي خطوة وسيطة في عملية انبعاث النيوترونين. وهو أيضًا آخر إثارة أولية في نواة القصدير 133، مما يكمل الصورة ويساعد في جعل الحسابات أكثر دقة.

ترتبط الحسابات والنمذجة الأفضل بالاكتشاف الثالث الذي أبرزه هذا البحث، ألا وهو ملاحظة مجموعة سكانية غير إحصائية لهذه الحالة المرصودة حديثًا. وأوضح Grzywacz أن عملية الاضمحلال نظيفة نسبيًا، لذا فكل شيء منفصل مع عدم وجود دول مجاورة.

وقال: “أنت لا تصنع حساء البازلاء”. “ومع ذلك، في معظم الحالات، يتصرف مثل حساء البازلاء. بطريقة ما، تحدث هذه الآلية الإحصائية. لماذا تعتبر إحصائية، على الرغم من أنها لا ينبغي أن تكون كذلك، ولماذا في فريقنا لا تكون كذلك”؟

تشير النتائج إلى أنه أثناء سفرك عبر المشهد النووي، بعيدًا عن الاستقرار وإلى عالم النوى الغريبة مثل تينيسين، فإن النماذج القديمة لا تصمد وهناك حاجة إلى نماذج جديدة.

السعي وراء الفضول

إن الحاجة إلى نماذج جديدة لشرح الأصول والبنية النووية تمثل فرصة هائلة لطلاب الدراسات العليا مثل ديسزل. انضم إلى مجموعة Grzywacz في عام 2022 وكان المؤلف الأول في رسائل المراجعة البدنية ورقة تحدد الاكتشافات الثلاثة. كانت قائمة مهامه في هذه التجربة طويلة، بدءًا من إنشاء قطع مادية وحتى تفسير النتائج. قام ببناء إطارات لكاشفات تتبع النيوترونات وقام بتجميعها في الإعداد التجريبي. قام بإعداد الإلكترونيات المطلوبة وصنع أجهزة كشف بيتا. أجرى قياسات اختبارية، وساعد في برامج الحصول على البيانات، وقام بإجراء تصحيحات للحصول على دقة التوقيت الأمثل، وقام بتحليل البيانات التجريبية. مع كل ذلك، كان عمل ديسزل لا يزال جزءًا من جهد متعدد الأشخاص.

وقال: “إن نجاح هذا العمل يرجع جزئياً إلى زملائي والمتعاونين معي، الذين كانت توجيهاتهم ومدخلاتهم البناءة حاسمة”.

جاء ديسزل، وهو مواطن من جاكسونفيل، فلوريدا، إلى جامعة تكساس بعد حصوله على درجة البكالوريوس في الفيزياء من جامعة شمال فلوريدا. طريقه إليه برل بدأ التأليف فعليًا في دورة الكيمياء العامة عندما علم لأول مرة عن اضمحلال بيتا. مفتونًا بفكرة أن التحولات النووية يمكن أن تولد عناصر بمجموعة كاملة من الخصائص المختلفة، اعتقد أنه سيدرس للحصول على درجة البكالوريوس في الكيمياء.

وأوضح قائلاً: “لم أدخل إلى صف الفيزياء إلا بعد حصولي على درجة البكالوريوس، مما دفعني على الفور إلى الحصول على شهادة جامعية في الفيزياء”. “لقد كنت دائمًا مهتمًا بفهم كيفية عمل العالم، وكانت الفيزياء، ولا تزال، المسار الذي أريد أن أتبعه سعيًا وراء هذا الفضول.”

المرجع: A. Corgul، M. Madurga، St. Neupane، A. Algora، A. Algora، A. Andreyev، M. Arasskiwiicz، A. H. DeWitte، J. Escher. الصفحة، M بيرس-Siłkowska، Zs. بودولياك، ج.س. بريتو، م. راجابالي، ج. شو، أ. آي. سيسون، ك. سولاك، إم. ستريت، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/l24v-5m31

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.