Deformation from zinc to zirconium

تُعد الذرات هي اللبنات الأساسية للكون المرئي، لكن داخلها بعيد كل البعد عن كونها كرات بسيطة. ففي قلب كل ذرة يكمن نواة، وهي تجمع كثيف من البروتونات والنيوترونات المتماسكة بفعل قوى قوية. وعلى مدى عقود، رسم الفيزيائيون خرائط لكيفية ترتيب هذه الجسيمات لنفسها، مكتشفين أن أعداداً معينة من البروتونات أو النيوترونات تخلق تكوينات كروية مستقرة بشكل خاص، تماماً مثل كرة مستديرة تماماً. وتعمل هذه الأعداد الخاصة كـ "أرقام سحرية"، مما يخلق بنية غلاف تقاوم التغيير. ومع ذلك، عندما ينظر العلماء إلى أبعد من ذلك في جدول العناصر، باتجاه النوى الثقيلة والمحشوة بنيوترونات إضافية، فإن هذا الاستدارة المثالية غالباً ما تنهار. وفي هذه المناطق الغريبة، يمكن للنواة أن تتمدد، أو تنضغط، أو تلتوي لتصبح متطاولة أو مفلطحة، فتتصرف مثل كرة الرغبي أو الفطيرة أكثر من كونها كرة. إن فهم متى ولما ولماذا يحدث هذا بالضبط أمر بالغ الأهمية لأنه يكشف عن القواعد الأساسية التي تحكم كيفية تجميع المادة في الكون، بدءاً من النجوم التي تصهر هذه العناصر وصولاً إلى استقرار المادة من حولنا.

لقد ألقى فريق من الباحثين نظرة فاحصة الآن على منطقة محددة ومعقدة من هذا المشهد الذري، تقع بين عنصري الزنك والزركونيوم. ومن خلال إطلاق حزم من ذرات غير مستقرة وغنية بالنيوترونات على هدف ومراقبة كيفية تفتتها وانبعاث الضوء منها، تمكنوا من التقاط صورة تفصيلية لكيفية تغير أشكال النوى الذرية مع اكتساب المزيد من النيوترونات. ويؤكد عملهم أن الانتقال من الشكل المستدير الصلب إلى الشكل المتطاول المشوه لا يتوقف فجأة عند نقطة معينة، بل يستمر ويتطور بطرق مفاجئة. وقد وجدوا أنه بينما تتمسك بعض النوى بطبيعتها الكروية بسبب الاستقرار الداخلي القوي، تبدأ أخرى في التشوه فوراً، وفي بعض الحالات، يمكن للنواة أن توجد في أشكال متعددة في آن واحد، أو تلتوي لتتخذ شكلاً ثلاثي الأبعاد ليس مجرد قرص مسطح ولا كرة بسيطة.

ركزت الدراسة على سلسلة من النظائر، وهي نسخ من نفس العنصر تختلف فقط في عدد النيوترونات التي تحتوي عليها. بدأ الباحثون رحلتهم من الزنك، وهو عنصر يحتوي على 30 بروتوناً، وتحركوا خطوة بخطوة نحو الزركونيوم، الذي يحتوي على 40 بروتوناً. وكان اهتمامهم منصباً بشكل خاص على ما يحدث بمجرد تجاوز النقطة التي تمتلك فيها النواة 50 نيوتروناً، وهو عدد يعمل عادةً كحاجز قوي، يحافظ على بقاء النواة كروية ومستقرة. وفي حالة الزنك، أظهرت البيانات أنه بمجرد أن تتخطى النواة عتبة الـ 50 نيوتروناً، فإنها لا تبقى مستديرة، بل تبدأ فوراً في التمدد والتشوه، مما يشير إلى أن التأثير المثبت للرقم السحري هو تأثير محلي للغاية ولا يمتد بعيداً إلى المجموعة التالية من العناصر. كان هذا اكتشافاً هاماً لأنه ساعد في توضيح سبب سلوك عنصر النيكل-78، الذي يقع في مكان قريب، بطريقة معقدة كهذه، مما يوحي بأن قواعد الاستقرار النووي أكثر هشاشة مما كان يُعتقد سابقاً.

ومع انتقال الفريق إلى العناصر التالية، الجرمانيوم والسيلينيوم، أصبحت القصة أكثر تعقيداً. فقد اكتشفوا أن هذه النوى لا تتمدد في اتجاه واحد فحسب؛ بل غالباً ما تلتوي لتتخذ شكلاً مائلاً، يُعرف بالثلاثي المحاور (triaxial). تخيل كرة ليست فقط مضغوطة عند القطبين ولكنها ملتوية أيضاً بحيث ليس لها محور تناظر واحد؛ هذا هو نوع الشكل الذي وجده الباحثون ناشئاً في هذه العناصر. وأظهرت ملاحظاتهم أن مستويات الطاقة في النوى، والتي تعمل كبصمة لشكلها، تطابقت مع التوقعات لهذه الهياكل الملتوية. وهذا يشير إلى أن النوى في هذه المنطقة لا تستقر في شكل واحد بسيط، بل تستكشف مجموعة متنوعة من الهندسات المعقدة، وتخلط أشكالاً مختلفة معاً بطريقة كان من الصعب التنبؤ بها من قبل.

واستمر التحقيق في المضي قدماً في السلسلة وصولاً إلى الكريبتون وأخيراً الزركونيوم، حيث تكون النوى محشوة بالمزيد من النيوترونات. وهنا، بحث الباحثون عن نقطة محددة قد تصبح فيها النواة مستقرة فجأة، ربما بسبب نوع جديد من النظام الداخلي عند 70 نيوتروناً. وبينما اقترحت بعض النظريات أن نواة الزركونيوم-110 قد تعود إلى الشكل الكروي، أشارت الأدلة التجريبية إلى اتجاه مختلف. فقد أظهرت البيانات أن النواة ظلت مشوهة، تتصرف مثل "البلبل" (spinning top) بدلاً من كرة ثابتة. وقد أكد هذا أن الدافع نحو التشوه هو قوة جبارة في هذه المنطقة، تتغلب على أي آثار تثبيت محتملة كان من المتوقع حدوثها بناءً على عدد النيوترونات وحده. كما سلطت النتائج الضوء على وجود "متماكبات الشكل" (shape isomers)، حيث يمكن للنواة أن تظل عالقة في شكل مختلف مؤقت قبل أن تستقر، مما يضيف طبقة أخرى من التعقيد إلى كيفية سلوك هذه الأجسام الدقيقة.

ولفهم هذه الملاحظات، اعتمد الباحثون على نماذج حاسوبية متطورة تحاكي سلوك البروتونات والنيوترونات من المبادئ الأولى. وسمحت هذه النماذج لهم بتصور مشهد الطاقة للنوى، موضحين أين تقع الأشكال الأكثر استقراراً وكيف يمكن للنواة أن تتحرك بينها. وأكدت عمليات المحاكاة أن النوى في هذه المنطقة قادرة بالفعل على التواجد في أشكال متعددة في آن واحد، مثل أن تكون متطاولة ومفلطحة في نفس الوقت، أو الانتقال بسلاسة بينهما. وقد أعطى التوافق بين القياسات الواقعية وهذه الحسابات النظرية ثقة للفريق بأنهم يشاهدون الطبيعة الحقيقية لهذه الذرات الغريبة. ووجدوا أن النماذج نجحت في إعادة إنتاج أنماط الطاقة المحددة التي لوحظت في التجارب، مما أثبت صحة فكرة أن هذه النوى محكومة بتوازن دقيق من القوى التي تسمح بمثل هذه الأشكال الغنية والمتنوعة.

أُجريت التجارب باستخدام إعداد متخصص في منشأة بحثية كبرى، حيث تم صدم حزم من الذرات غير المستقرة في هدف من الهيدروجين السائل. سمحت هذه التقنية للعلماء بإنشاء ودراسة النوى التي توجد لجزء ضئيل من الثانية فقط قبل أن تتحلل. ومن خلال رصد أشعة غاما، وهي شكل من أشكال الضوء عالي الطاقة، المنبعثة أثناء استقرار هذه النوى في حالات طاقة أدنى، تمكن الفريق من إعادة بناء البنية الداخلية للذرات. كانت دقة هذه القياسات بالغة الأهمية، لأن الاختلافات بين النواة الكروية والأخرى المشوهة تظهر غالباً في شكل تحولات طفيفة جداً في طاقة الضوء المنبعث. كما استخدم الباحثون كواشف متطورة لتتبع مسارات الجسيمات التي تُطرد من الهدف، لضمان دراسة النظائر الصحيحة والتمييز بين الأنواع المختلفة من السلوك النووي.

إن أحد أكثر جوانب النتائج إثارة هو استمرار التشوه. فقد أظهرت البيانات أنه بمجرد أن تبدأ النوى في هذه المنطقة في التمدد، فإنها لا تعود بسهولة إلى الشكل الكروي، حتى مع اكتساب المزيد من النيوترونات. وهذا يتحدى الأفكار القديمة التي اقترحت أن النواة قد تستقر مرة أخرى عند نقاط معينة. وبدلاً من ذلك، تشير الأدلة إلى تطور مستمر حيث تصبح النوى "جماعية" بشكل متزايد، مما يعني أن البروتونات والنيوترونات تتحرك معاً بطريقة منسقة لإنشاء هذه الأشكال واسعة النطاق. وهذا السلوك الجماعي هو ما يعطي الصدارة لهذه الهياكل المعقدة الملحوظة، من الأشكال الثلاثية المحاور الملتوية إلى تواجد أشكال مختلفة داخل نفس الذرة.

كما سلطت الدراسة الضوء على الدور المحدد لعدد النيوترونات في دفع هذه التغييرات. ففي نظائر الزنك، حدث الانتقال من الشكل الكروي إلى الشكل المشوه مباشرة بعد تجاوز الرقم السحري 50 نيوتروناً. وفي المقابل، بالنسبة للعناصر الأثقل مثل الزركونيوم، كان التشوه مستقراً بالفعل، وحافظت النواة على هذا الشكل حتى عند أعداد النيوترونات التي توقعت فيها بعض النظريات عودة الاستقرار. وهذا يشير إلى أن القوى التي تمسك النواة معاً حساسة للغاية للمزيج المحدد من البروتونات والنيوترونات، وأن "الأرقام السحرية" التي توفر الاستقرار عادةً ليست صلبة كما كان يُعتقد في هذه البيئات القاسية.

واستشرافاً للمستقبل، يؤكد الباحثون على الحاجة إلى قياسات أكثر دقة لفهم أعمار الحالات المثارة واحتمالات الانتقالات بينها بشكل كامل. ويقترحون أن التجارب المستقبلية باستخدام كواشف ذات دقة أعلى يمكن أن توفر صورة أوضح للديناميكيات الداخلية، مما قد يكشف عن تفاصيل أكثر دقة حول كيفية التواء هذه النوى ودورانها. إن القدرة على دراسة هذه الذرات الغريبة والعابرة هي شهادة على التقدم في التكنولوجيا التجريبية، مما يسمح للعلماء بسبر أغوار الحدود القصوى للاستقرار النووي. ومن خلال رسم خرائط لأشكال هذه النوى، قدم الفريق قطعة حاسمة في حل لغز كيفية بناء الكون لمادته، من العناصر المستقرة التي نعرفها إلى الأشكال المشوهة العابرة التي لا توجد إلا في أكثر الظروف تطرفاً.

وفي الختام، ترسم هذه الدراسة صورة للنواة الذرية ليس كجسم ساكن وصلب، بل ككيان ديناميكي وسائل يمكنه التمدد والالتواء وإعادة تشكيل نفسه استجابة للتوازن الدقيق للقوى في داخله. إن الرحلة من الزنك إلى الزركونيوم تكشف عن مشهد من التغير المستمر، حيث القواعد التي تحكم الاستقرار مرنة، وأشكال المادة أكثر تنوعاً مما كان متخيلاً من قبل. ويشير استمرار التشوه عبر هذه المنطقة إلى أن الكون قادر على دعم هذه الهياكل المعقدة حتى في مواجهة قوى التثبيت القوية، مما يقدم منظوراً جديداً للطبيعة الأساسية للمادة.