عندما ترتبط البروتونات والنيوترونات (النيوترونات) بالنواة الذرية ، فإنها تكون قريبة بما يكفي لتشعر بجاذبية كبيرة أو تنافر. التفاعلات القوية داخلها تؤدي إلى تصادم شديد بين النكليونات.
أثناء دراسة هذه الاصطدامات النشطة في نوى الضوء عبر تقنية جديدة ، وجد الفيزيائيون شيئًا مثيرًا للدهشة: تصطدم البروتونات بزملائهم من البروتونات والنيوترونات مع زملائهم. النيوترونات في كثير من الأحيان أكثر مما كان متوقعا.
في بحث سابق ، فحص العلماء التصادمات النشطة ثنائية النواة في عدد صغير من النوى ، تتراوح من الرصاص (12 نواة) إلى الكربون (12 نواة) (مع 208). أظهرت النتائج المتسقة أن تصادمات البروتونات والنيوترونات مسؤولة عن أكثر من 95٪ من جميع الاصطدامات ، وتشكل تصادمات البروتون والبروتون والنيوترون والنيوترونات النسبة المتبقية 5٪.
في تجربة جديدة ، درس الفيزيائيون التصادمات في "نواتين مرآتين" مع ثلاثة نوى لكل منهما. ووجدوا أن اصطدامات البروتون والبروتون والنيوترون والنيوترون كانت مسؤولة عن حصة أكبر بكثير من الإجمالي - حوالي 20٪.
اكتشف فريق دولي العلماء ، بمن فيهم باحثون من مختبر لورانس بيركلي الوطني التابع لوزارة الطاقة (مختبر بيركلي). بالنسبة للدراسة ، استخدموا مرفق تسريع شعاع الإلكترون المستمر في منشأة مسرع توماس جيفرسون الوطنية التابعة لوزارة الطاقة (مختبر جيفرسون) في فرجينيا.
في معظم النوى الذرية ، تقضي النوكليونات حوالي 20٪ من حياتها في حالات مُثارة عالية الزخم ناتجة عن اصطدام ثنائي النواة. تتطلب دراسة هذه الاصطدامات انزلاق نوى بحزم إلكترونية عالية الطاقة. بعد ذلك ، من خلال قياس طاقة الإلكترون المبعثر وزاوية الارتداد ، استنتج العلماء السرعة التي يجب أن تتحرك بها النواة التي اصطدمت بها.
قال جون أرينجتون ، عالم مختبر بيركلي ، هو واحد من أربعة متحدثين باسم التعاون ، "وهذا يمكنهم من تحديد الأحداث التي تبعثر فيها إلكترون من بروتون عالي الزخم اصطدم مؤخرًا بنوكلون آخر."
تصادمات الإلكترون والبروتون هذه لها إلكترون وارد مع طاقة كافية لإزالة المثارة تمامًا بروتون من النواة. تفلت النواة الثانية أيضًا من النواة لأن هذا يعطل التفاعل الشبيه بالرباط المطاطي الذي عادةً ما يبقي زوج النوكليون المثير في مكانه.
ركزت الأبحاث السابقة على الاصطدامات ثنائية الجسم على أحداث التشتت حيث لوحظ ارتداد الإلكترون وكلا النكليونات المطرودة. من خلال تمييز جميع الجسيمات ، يمكنهم تحديد العدد النسبي لأزواج البروتون والبروتون و بروتون نيوترون أزواج. ومع ذلك ، نظرًا لأن هذه الأحداث "المصادفة الثلاثية" غير شائعة جدًا ، كان من الضروري إجراء دراسة متأنية لأي تفاعلات إضافية بين النيوكليونات يمكن أن تؤثر على العد.
نوى المرآة تعزز الدقة
في الدراسة الجديدة ، أظهر الفيزيائيون طريقة لتحديد العدد النسبي لأزواج البروتون والبروتون والنيوترونات دون الكشف عن النيوكليونات المقذوفة. قياس التشتت من "نواتين مرآتين" لهما نفس عدد النيوكليونات - التريتيوم ، وهو نظير هيدروجين نادر له بروتون واحد ونيوترونان ، و الهليوم 3، الذي يحتوي على بروتونين ونيوترون واحد - كانت الحيلة. يبدو الهيليوم -3 تمامًا مثل التريتيوم مع تبادل البروتونات والنيوترونات ، وقد مكّن هذا التناظر الفيزيائيين من التمييز بين الاصطدامات التي تنطوي على البروتونات والنيوترونات من خلال مقارنة مجموعتي البيانات.
بدأ الفيزيائيون العمل على نوى المرآة بعد التخطيط لتطوير خلية غاز التريتيوم لتجارب تشتت الإلكترون. هذا هو أول استخدام لهذا النظير النادر والمزاجي منذ عقود.
من خلال هذه التجربة ، جمع العلماء بيانات أكثر من التجارب السابقة. وبالتالي ، يمكنهم تحسين دقة القياسات السابقة بعشر مرات.
لم يكن لديهم سبب لتوقع أن تصادمات النوكليونات ستعمل بشكل مختلف في التريتيوم والهيليوم -3 عن النوى الأثقل ، لذا كانت النتائج مفاجئة تمامًا.
أرينغتون محمد, يختلف الهليوم -3 الصافي عن عدد النوى الثقيلة المقاسة. نريد أن نضغط من أجل قياسات أكثر دقة على النوى الخفيفة الأخرى للحصول على إجابة نهائية ".
المرجع مجلة:
- لي ، إس ، كروز توريس ، آر ، سانتيستيبان ، إن وآخرون. الكشف عن البنية قصيرة المدى لنواة المرآة 3H و 3He. الطبيعة 609 ، 41-45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
