Development of the {\gamma} strength function with the neutron number

في قلب كل ذرة، تلتصق البروتونات والنيوترونات معاً في حشد كثيف وفوضوي. وعندما تُثار هذه النوى الذرية، ربما بسبب تصادم أو تحلل إشعاعي، فإنها لا تكتفي بالبقاء ساكنة؛ بل تتخلص من طاقتها الزائدة عن طريق انبعاث ومضات من الضوء، وتحديداً أشعة غاما. لقد درس العلماء لفترة طويلة كيفية امتصاص هذه النوى للضوء، وهي عملية يهيمن عليها اهتزاز جماعي هائل يُعرف باسم رنين ثنائي القطب العملاق، حيث تتمايل البروتونات والنيوترونات ذهاباً وإياباً ضد بعضها البعض مثل سائلين متضادين. ومع ذلك، ظلت العملية العكسية — كيف تطلق النواة الطاقة أثناء تبريدها من حالة عالية الطاقة — لغزاً أكثر استعصاءً. لعقود من الزمن، اقترح فكرة سائدة مفادها أن الطريقة التي تطلق بها النواة الضوء يجب أن تعتمد فقط على طاقة الضوء نفسه، بغض النظر عن مدى إثارة النواة في البداية. هذا الافتراض، المعروف باسم فرضية برينك-أكسل، بدا صحيحاً حتى كشفت الملاحظات الأخيرة عن تحول مفاجئ: عند الطاقات المنخفضة جداً، تطلق النوى كمية من إشعاع غاما أكبر بكثير مما توقعه الجميع، وهي ظاهرة خالفت القواعد القديمة.

قام فريق من الباحثين بمهمة لفهم هذا الارتفاع غير المتوقع في انبعاث الضوء منخفض الطاقة من خلال بناء نماذج حاسوبية مفصلة لنوى ذرية عبر مجموعة واسعة من العناصر، بما في ذلك الموليبدينوم، والحديد، والقصدير، والجرمانيوم، والجادولينيوم. وقد استخدموا إطارين نظريين مختلفين لمحاكاة سلوك هذه النوى: طريقة تقليدية تعامل النواة ككرة، ونهج أحدث وأكثر تعقيداً يأخذ في الاعسبار النوى التي تتمدد لتصبح أشكالاً إهليلجية أو ثلاثية المحاور. ومن خلال حساب الملايين من الانتقالات الممكنة بين مستويات الطاقة داخل هذه النوى المحاكات، رسم الفريق خريطة دقيقة لكيفية تغير قوة أشعة غاما المنبعثة مع تغير طاقة الضوء. ويكشف عملهم أن سلوك انبعاث الضوء هذا ليس عشوائياً، بل يتبع نمطاً واضحاً تمليه بنية النواة وعدد النيوترونات التي تحتويها.

وجد الباحثون أنه في النوى التي تكاد تكون كروية، يهيمن على انبعاث أشعة غاما نبضة واحدة حادة من الكثافة عند طاقات منخفضة جداً. ويسمونها الإشعاع المغناطيسي منخفض الطاقة، أو LEMAR. وهي تظهر كدفقة مفاجئة من الضوء المغناطيسي الذي يتلاشى أسياً مع زيادة الطاقة. ومع ذلك، عندما تصبح النوى أكثر تشوهاً — أي تتمدد لتصبح أشكالاً تشبه كرة القدم — يظهر ملمح ثانٍ إلى جانب نبضة الطاقة المنخفضة. هذا الملمح الجديد عبارة عن نتوء عريض من الكثافة يتمركز حول ثلاثة ملايين إلكترون فولت، وهو ما يتوافق مع ظاهرة معروفة تسمى رنين المقص. في هذه الحالة، تتذبذب البروتونات والنيوترونات ضد بعضها البعض بطريقة تشبه فتح وإغلاق مقص. وتظهر الدراسة أنه مع زيادة تشوه النواة، لا تختفي نبضة الطاقة المنخفضة الواحدة؛ بل تتعايش مع رنين المقص، مما يخلق ملفاً ثنائي المنوال بقمّتين متميزتين من النشاط.

هذا الانتقال من قمة واحدة إلى قمتين مدفوع بالبنية الداخلية للنواة. ففي النواة الكروية، تتجمع مستويات طاقة الجسيمات بطريقة تسمح بانتقال بسيط وموحد منخفض الطاقة. ولكن عندما تتشوه النواة، تنقسم مجموعات الطاقة هذه، تماماً مثل شعاع ضوء واحد ينكسر إلى طيف من الألوان عند مروره عبر منشور. هذا الانقسام يخلق شبكة معقدة من الانتقالات الممكنة. تنشأ نبضة الطاقة المنخفضة من الخلط الفوضوي لهذه الحالات المنقسمة، بينما يأتي نتوء رنين المقص من نوع محدد من الحركة الجماعية التي لا تصبح ممكنة إلا عندما تكون النواة مشوهة. لاحظ الباحثون أن هذا النمط يظل قائماً عبر عناصر مختلفة: ففي نظائر الحديد والموليبدينوم الأخف وزناً، يرتبط التحول من نبضة واحدة إلى قمتين مباشرة بعدد النيوترونات وشكل النواة الناتج.

كما بحث الفريق في كيفية تأثير الطبيعة الفوضوية للنواة على هذه الانبعاثات. واكتشفوا أن نبضة الطاقة المنخفضة تتميز بمعدل اضمحلال محدد يشير إلى أن الحالات الكامنة وراءها معقدة وغير منظمة للغاية، تشبه نظاماً يتم فيه تشفير المعلومات بشكل عشوائي. هذه الفوضى تختلف عن درجة الحرارة الإجمالية للنواة، والتي هي مقياس لعدد حالات الطاقة المتاحة. وفي معظم النوى التي درسوها، كان المعامل الذي يصف الاضمحلال الفوضوي لانبعاث الضوء أقل بكثير من درجة الحرارة الديناميكية الحرارية للنواة، مما يشير إلى أن الآلية التي تقود الضوء منخفض الطاقة هي شكل فريد من الاضطراب يعمل بشكل مختلف عن الاضطراب الحراري العام للجسيمات.

أحد أهم النتائج يتعلق بالعلاقة بين شكل النواة وإجمالي كمية الضوء التي تنبعث منها. وجد الباحثون أن القوة الإجمالية للإشعاع المغناطيسي تظل ثابتة نسبياً مع تغير شكل النواة، ولكن توزيع تلك القوة يتغير بشكل كبير. ففي النوى الكروية، تتركز معظم القوة في نبضة الطاقة المنخفضة. ومع تشوه النواة، ينتقل جزء من تلك القوة إلى نتوء رنين المقص عند طاقات أعلى، مما يترك نبضة الطاقة المنخفضة أضعف نوعاً ما ولكنها تظل موجودة. وهذا التوزيع يفسر لماذا تبدو بعض النوى وكأن لديها "نقص" في الضوء منخفض الطاقة مقارنة بغيرها؛ فالضوء لم يختفِ، بل انتقل ببساطة إلى نطاق طاقة مختلف.

تناولت الدراسة أيضاً حدود هذه النماذج. ففي النوى التي يكون فيها عدد البروتونات والنيوترونات متساوياً تقريباً، يتم كبح انبعاث الضوء منخفض الطاقة بقوة بسبب حفظ خاصية تسمى "الأيزوسبين" (isospin)، والتي تعمل كنوع من التوازن الداخلي بين نوعي الجسيمات. في هذه الحالات المحددة، تفشل نبضة الطاقة المنخفضة المتوقعة في الظهور، ويحل محلها منطقة مسطحة وضعيفة. علاوة على ذلك، وبينما نجحت المحاكاة الحاسوبية في إعادة إنتاج الاتجاهات العامة المشاهدة في التجارب، إلا أنها كانت أحياناً تقلل من تقدير إجمالي الضوء المنبعث، مما يشير إلى أن النماذج، رغم قوتها، لا تزال تغفل بعض التفاعلات الدقيقة بين الجسيمات.

في نهاية المطاف، يقدم هذا العمل صورة موحدة لكيفية تخلص النوى الذرية من طاقتها. فهو يؤكد أن انبعاث أشعة غاما ليس عملية ثابتة، بل هي عملية تتطور مع شكل النواة وتكوينها. إن الانتقال من انبعاث ذي قمة واحدة بسيط في النوى الكروية إلى هيكل ذي قمتين معقد في النوى المشوهة هو سمة راسخة في الفيزياء النووية، مدفوعة بانقسام مستويات الطاقة والخلط الفوضوي لحالات الجسيمات. ومن خلال توضيح هذه الآليات، قدم الباحثون نافذة أوضح على العالم الكمي، مظهرين كيف تحدد الرقصة الجماعية للبروتونات والنيوترونات الضوء ذاته الذي يهرب من القلب الذري.