Low-energy collective structure of $^{92,94}$Zr and $^{94}$Mo from ($e,e^{\prime}$) and ($p,p^{\prime}$) scattering I. Experimental results

في قلب كل ذرة، لا تكتفي البروتونات والنيوترونات بالجلوس ساكنة؛ بل تتحرك في إيقاع جماعي معقد. وبينما نتخيل هذه الجسيمات غالبًا كنقاط فردية، فإنها في العديد من النوى الذرية تتصرف أشبه بسائل، يتأرجح معًا في أنماط محددة. لقد أدرك الفيزيائيون منذ زمن طويل أن حركات التأرجح هذه تأتي بنوعين رئيسيين. في النوع الأكثر شيوعًا، تتحرك البروتونات والنيترونات في انسجام تام، مثل حشد موحد يسير بخطى ثابتة ومنتظمة، وهو ما يُعرف بالحالة المتماثلة تمامًا. ومع ذلك، هناك نمط أكثر دقة واستعصاءً حيث تتحرك البروتونات والنيوترونات ضد بعضهما البعض، مثل مجموعتين في لعبة "شد الحبل" لكنهما لا تزالان جزءًا من الفريق نفسه، وتسمى هذه الحالة بـ "حالة التماثل المختلط". إن العثور على حالات التماثل المختلط هذه وتأكيدها أمر بالغ الأهمية لأنها تكشف عن الطبيعة المحددة للقوة التي تربط النواة الذرية معًا، مما يجعلها اختبارًا حساسًا لنظرياتنا حول كيفية بناء المادة عند مستواها الأكثر جوهرية.

ولإلقاء نظرة خاطفة على هذه الأنماط الخفية، وجه فريق من الباحثين اهتمامهم إلى مجموعة محددة من النوى الذرية: زركونيوم-92، وزركونيوم-94، وموليبدينوم-94، وموليبدينوم-96، وزنك-70. هذه ليست اختيارات عشوائية؛ فهي نوى تقع خارج "الأغلفة المغلقة" المستقرة حيث تترتب البروتونات والنيوترونات عادةً بشكل أنيق، مما يجعلها مختبرات مثالية لدراسة هذه التحركات الجماعية. لم ينظر العلماء إلى هذه النوى باستخدام أداة واحدة، بل أطلقوا نوعين مختلفين من القذائف نحوها: إلكترونات عالية السرعة وبروتونات عالية السرعة. الإلكترونات، لكونها خفيفة ومشحونة كهربائيًا، تتفاعل مع النواة بشكل أساسي من خلال القوة الكهربائية، مما يعطي صورة واضحة لكيفية تحرك البروتونات. أما البروتونات، لكونها أثقل وتتفاعل من خلال القوة النووية القوية، فتوفر رؤية مختلفة تشمل كيفية تحرك النيوترونات. ومن خلال مقارنة النتائج من هاتين التجربتين المختلفتين تمامًا، استطاع الباحثون فصل حركة البروتونات عن حركة النيوترونات، مما مكنهم فعليًا من سماع جانبي النواة بصوتين مختلفين.

أُجريت التجارب في مرافق متخصصة في ألمانيا وجنوب أفريقيا. قام الفريق بقذف رقائق معدنية رقيقة من النوى المستهدفة بحزم من الإلكترونات والبروتونات، مع قياس زوايا تشتت الجسيمات بعد اصطدامها بالنواة بدقة. وعندما يرتد جسيم ما، تعتمد زاوية ارتداده على شكل وطبيعة الاهتزاز داخل النواة. جمع الباحثون كميات هائلة من البيانات، ورسموا خرائط لكيفية تشتت الجسيمات عند زوايا مختلفة لعشرات الحالات المثارة داخل هذه النوى. ثم قارنوا أنماط التشتت الواقعية هذه بالحسابات النظرية التي تنبأت بكيفية سلوك النواة إذا كانت تهتز بطريقة معينة. سمحت هذه المقارنة بتحديد "اللف المغزلي" (spin) و"التكافؤ" (parity) لكل حالة مثارة، وهي في الأساس تسميات تصف نوع الدوران وتماثل الاهتزاز.

قدمت النتائج خريطة تفصيلية للبنية منخفضة الطاقة لهذه النوى. نجح الفريق في تحديد العديد من الحالات المعروفة بالفعل، مؤكدًا طبيعتها كاهتزازات متماثلة تمامًا حيث تتحرك البروتونات والنيوترونات معًا. والأهم من ذلك، أنهم حددوا مرشحين محتملين لحالات التماثل المختلط المتميزة، وقدموا البيانات التجريبية اللازمة لتأكيدها. على سبيل المثال، في نواة زركونيوم-94، حددوا حالة مثارة معينة تعد مرشحًا لحالة تماثل مختلط، مشيرين إلى أنها تظهر اختلافًا واضحًا في كيفية مساهمة البروتونات والنيوترونات في الاهتزاز. وبالمثل، في موليبدينوم-94، حددوا حالة كان يُشتبه في كونها حالة تماثل مختلط، وتدعم بياناتهم الجديدة حول كيفية تشتت البروتونات والإلكترونات هذا التحديد. كما درست الدراسة الاهتزازات ذات الطاقة الأعلى، مثل تلك التي تتضمن أشكال "الأوكتوبول" (octupole)، وهي أكثر تعقيدًا من مجرد الانضغاط والتمدد البسيط، ووجدوا أدلة على وجود نسخ متماثلة وربما مختلطة التماثل لهذه الأشكال أيضًا.

ما يجعل هذا العمل مهمًا بشكل خاص هو المنهج المستخدم لجمع البيانات لتأكيد هذه الحالات. فبدلاً من الاعتماد فقط على كيفية اضمحلال النواة أو انبعاث الضوء، وهو ما قد يكون غامضًا أحيانًا، استخدم الباحثون المقارنة المباشرة لتشتت الإلكترونات والبروتونات للنظر في "كثافة الانتقال". وهذا مقياس لكيفية تغير توزيع البروتونات والنيوترونات أثناء الاهتزاز. في حالة التماثل الكامل، يتغير توزيع البروتونات والنيوترونات بنفس الطريقة، أما في حالة التماثل المختلط، فيتغيران بطرق متعاكسة. ومن خلال إثبات أن البيانات التجريبية تتوافق مع التنبؤات لهذه الحركات المتعاكسة، وضع الفريق الأساس لعلامة جديدة وقوية لتحديد هذه الحثالات. يساعد هذا النهج في حل النقاشات طويلة الأمد حول وجود أنواع معينة من الاهتزازات في هذه النوى، خاصة تلك التي تمتلك لفًا مغزليًا أعلى وكان من الصعب تصنيفها سابقًا، مع تقديم التحليل الكامل والتعريف النهائي في ورقة بحثية مصاحبة.

لم يقتصر البحث على تأكيد ما هو معروف فحسب، بل أوضح أيضًا أوجه عدم اليقين. ففي بعض الحالات، حيث أشارت تجارب سابقة إلى أن حالة ما قد تكون مزيجًا من أنواع مختلفة، سمحت البيانات الجديدة بتحديد أكثر وضوحًا. على سبيل المثال، في زنك-70، فحص الفريق "ثنائية" من الحالات بالقرب من 3044 كيلو إلكترون فولت؛ وبينما حددت تجارب أخرى حالة (5-)، فإن بيانات التوزيع الزاوي الجديدة كانت توصف بشكل أفضل بافتراض ثنائية من (2+) و(5-)، رغم أن التعيينات النهائية لـ "اللف المغزلي" للمكونات الفردية ظلت صعبة في بعض المناطق المتداخلة. كما وجدوا أنه في بعض النوى الأثقل مثل موليبدينوم-96، تكون مستويات الطاقة مزدحمة للغاية بحيث يصعب تمييز الحالات الفردية، ومع ذلك تمكنوا من استخراج معلومات ذات معنى حول السلوك الجماعي للبروتونات والنيوترونات. يعمل هذا العمل كخطوة تأسيسية، حيث يوفر البيانات التجريبية اللازمة لاختبار النماذج النظرية الأكثر تعقيدًا. ومن خلال رسم صورة واضحة لكيفية اهتزاز هذه النوى، يعمق هذا البحث فهمنا للقوة النووية والرقصة المعقدة للبروتونات والنيوترونات التي تمسك بزمام المادة في الكون.