A novel projected shell model method for nuclear level density

في قلب كل ذرة يكمن عالم صاخب وفوضوي حيث تتزاحم البروتونات والنيوترونات، مرتبطة بقوى تتحدى حدسنا اليومي. وبالنسبة للعلماء الذين يدرسون كيفية صهر النجوم لعناصر جديدة أو كيفية توليد المفاعلات النووية للطاقة، تبرز حاجة ماسة لمعلومة بالغة الأهمية: ما هي عدد الطرق المختلفة التي يمكن لهذه الجسيمات الصغيرة أن تترتب بها عند مستويات طاقة مختلفة؟ هذا العد، المعروف باسم كثافة المستويات النووية، يعمل كخريطة للتنبؤ بكيفية سلوك الذرات عند اصطدامها أو امتصاصها للطاقة. وبدون خريطة دقيقة، يظل فهمنا للانفجارات الكونية أو سلامة إدارة النفايات النووية غير مكتمل. لعقود من الزمن، اعتمد الباحثون على تخمينات إحصائية لملء الفجوات حيث يستحيل إجراء قياسات مباشرة، مفترضين أنه مع ارتفاع الطاقة، ينمو عدد الترتيبات الممكنة ببساطة في منحنى سلس ومتوقع. ومع ذلك، فإن البنية الحقيقية للنواة الذرية أكثر تعقيداً بكثير من مجرد غاز بسيط من الجسيمات، وظلت تفاصيل كيفية اقتران هذه الجسيمات وانفصالها لغزاً في مناطق الطاقة العالية التي يصعب سبر أغوارها.

لقد تمكن فريق من الباحثين في جامعة شانغهاي جياو تونغ وجامعة ساوث ويست الآن من كشف طبقة من هذا الغموض عبر تطبيق طريقة حوسبة جديدة وقوية على ذرة محددة ومدروسة جيداً: الديسبروزيوم-164. هذه نواة ثقيلة ومستقرة وهي مشوهة طبيعياً، مما يعني أنها تشبه في شكلها كرة الرغبي أكثر من كونها كرة مثالية. استخدم العلماء تقنية تسمى "نموذج القشرة المسقط" (projected shell model)، والذي يعامل النواة ليس ككتلة ملساء، بل كمجموعة من الجسيمات الفردية التي يمكن أن تزدوج معاً أو تنفصل. ومن خلال بناء مكتبة هائلة من الترتيبات الممكنة — تتراوح من الأزواج البسيطة إلى مجموعات معقدة تصل إلى ستة أزواج منفصلة — تمكنوا من حل المعادلات التي تحكم حالات طاقة النواة بدقة لم تكن ممكنة سابقاً لمثل هذا النظام الثقيل. وكان مفتاح نجاحهم هو طفرة في خوارزميات الكمبيوتر سمحت لهم بالتعامل مع التعقيد الهائل لهذه التفاعلات دون الحاجة إلى تبسيط الفيزياء.

وعندما قارن الباحثون نتائجهم المحسوبة بالبيانات التجريبية المعروفة، كانت المطابقة مثالية بشكل لافت للنظر في مستويات الطاقة المنخفضة، مما أكد أن طريقتهم حددت بشكل صحيح الترتيبات المحددة للجسيمات التي تم رصدها بالفعل في المختبر. ولكن في نطاقات الطاقة الأعلى، حيث تبدأ النواة في تفكيك أزواجها الداخلية، كشفت الدراسة عن شيء جديد تماماً. فخلافاً للاعتقاد السائد منذ فترة طويلة بأن عدد الحالات الممكنة يجب أن يبدأ في الارتفاع بشكل أسي بمجرد انكسار أول زوج من الجسيمات، أظهرت البيانات توقفاً متميزاً. ففي نطاق الطاقة بين 2.3 و4.0 مليون إلكترون فولت، استقر نمو هذه الحالات في شكل هضبة، مما خلق بنية تشبه الدرجات بدلاً من منحدر سلس. يشير هذا الإقليم المسطح إلى أن النواة تقاوم تغيير بنيتها فور انكسار الزوج الأول، وتنتظر بدلاً من ذلك حتى ينكسر زوج ثانٍ في وقت واحد قبل أن ينفجر عدد الحالات المتاحة مرة أخرى.

يتحدى هذا الاكتشاف الرؤية التقليدية الموجودة في الكتب المدرسية حول كيفية سلوك النوى الذرية تحت الضغط. فقد وجد الباحثون أن القفزة المفاجئة في عدد الحالات الممكنة لا تحدث تدريجياً؛ بل تتأخر حتى ينكسر كل من زوج النيوترونات وزوج البروتونات في آن واحد، مما يخلق تكويناً جديداً وأكثر تعقيداً. هذا التأخير يخلق "نافذة" محددة من الطاقة تكون فيها بنية النواة مستقرة بشكل غير عادي، وهي ميزة يمكن أن تغير بشكل كبير كيفية حساب العلماء لاحتمالية التقاط الذرات للنيوترونات — وهي عملية حيوية لفهم كيفية تكوين العناصر الثقيلة في الكون. كما درست الدراسة أيضاً كيفية توزيع "اللف المغزلي"، أو سرعة دوران هذه الحالات النووية. وبينما تشير النظريات القديمة إلى أن هذا التوزيع يتبع منحنى ناعماً يشبه الجرس عند جميع الطاقات العالية، تظهر الحسابات الجديدة أن هذا النمط لا يظهر إلا بمجرد وصول النواة إلى حالة فوضوية حقاً عند الطاقات العالية جداً. وتحت هذا الحد، يكون التوزيع غير منتظم ويعتمد بشدة على الطريقة المحددة للاقتران بين الجسيمات، مما يثبت أن البنية الداخلية للنواة تترك بصمة واضحة حتى في أكثر لحظاتها طاقة.

إن تداعيات هذا العمل تمتد إلى ما هو أبعد من مجرد تصحيح منحنى على رسم بياني. فمن خلال إثبات أن نمو الحالات النووية ليس صعوداً بسيطاً ومستمراً، بل هو بدلاً من ذلك يتميز بخطوات وفترات توقف متميزة، تشير الدراسة إلى أن النماذج الحالية المستخدمة في الهندسة النووية والفيزياء الفلكية قد تحتاج إلى مراجعة. فإذا كان عدد الحالات المتاحة أقل مما هو متوقع في نطاقات طاقة معينة، فإن الحسابات المتعلقة بمدى سرعة التفاعلات النووية قد تتغير، مما قد يؤثر على التوقعات لكل شيء بدءاً من دورات حياة النجوم وصولاً إلى تصميم النظائر الطبية المستقبلية. لم يكتشف الباحثون مجرد رقم جديد؛ بل كشفوا عن إيقاع خفي في كيفية تنظيم النوى الذرية لنفسها، موضحين أنه حتى في أكثر البيئات فوضوية، يتبع الطبيعة منطقاً هيكلياً خطوة بخطوة يمكن رؤيته بوضوح لأول مرة.