Semiclassical description of quadrupole-hexadecapole correlation in nuclear shape evolution

في قلب كل ذرة يكمن النواة، وهي تجمع كثيف من البروتونات والنيوترونات التي لا تتخذ دائماً شكلاً مستديراً تماماً. وبينما تكون بعض النوى كروية، مثل كرات رخامية صغيرة، فإن العديد منها الآخر يتمدد وينكمش ليأخذ أشكالاً مختلفة مع تغير عدد الجسيمات بداخلها. هذا التحول المستمر ليس عشوائياً؛ بل يتبع إيقاعاً صارماً وقابلاً للتنبؤ تقوده القواعد الكمومية التي تحكم كيفية ترتيب هذه الجسيمات لنفسها. وقد عرف العلماء منذ زمن طويل أنه مع الانتقال من "رقم سحري" للجسيمات إلى الرقم التالي —وهي نقطة تكون فيها النواة مستقرة وكروية بشكل خاص— يتطور شكل النواة بطريقة محددة. فهي تبدأ كشكل يشبه الماس، ثم تنتقل إلى شكل أكثر استطالة وتطاولاً. ولعقود من الزمن، لاحظ الباحثون هذا النمط في نماذج حاسوبية معقدة، لكن السبب الكامن وراء هذه الرقصة من الأشكال ظل مخفياً في الضجيج الرياضي لتلك الحسابات.

لقد تمكن فيزيائي في معهد ناغويا للتكنولوجيا الآن من كشف طبقات هذا الغموض باستخدام نهج أبسط وأكثر مباشرة. فمن خلال معاملة النواة ليس كـ "سحابة من الاحتمالات" بل كحاوية ترتد فيها الجسيمات مثل كرات البلياردو، استطاع الباحث تتبع المسارات الدقيقة التي تسلكها هذه الجسيمات. هذه الطريقة، المعروفة باسم نظرية المدارات الدورية شبه الكلاسيكية، تسمح للعلماء برؤية كيف يخلق التحرك الجماعي للجسيمات البنية القشرية التي تملي شكل النواة. وتكشف الدراسة أن الانتقال من الشكل الماسي إلى الشكل المستطيل ليس انزياحاً ناعماً، بل هو مدفوع بتغيرات مفاجئة ودراماتيكية في المسارات المتاحة للجسيمات. هذه التغيرات، التي تسمى "التفرعات" (bifurcations)، تحدث عندما يتغير شكل الحاوية بما يكفي لخلق طرق جديدة ومستقرة للجسيمات لتتبعها، مما يغير طاقة النظام بشكل جذري ويثبت النواة في شكل جديد.

بدأ الاستقصاء بتبسيط المشكلة إلى جوهرها المطلق. فبدلاً من استخدام القوى الواقعية المعقدة التي تربط النوى الحقيقية ببعضها، قام الباحث بنمذجة النواة كحاوية بسيطة ذات جدار صلب، تشبه صندوقاً أو كرة، حيث ترتد الجسيمات عن الحواف. وهذا "نموذج التجويف"، رغم تجريده من الكثير من التفاصيل الواقعية، يلتقط الفيزياء الجوهرية لكيفية ملء الجسيمات لمستويات الطاقة. ومن خلال حساب الحالة الأرضية —وهي التكوين الأكثر استقراراً— لآلاف التشكيلات المختلفة من البروتونات والنيوترونات، أكدت الدراسة أن هذا النموذج البسيط يعيد إنتاج نفس النمط (من الماسي إلى المستطيل) المشاهد في النظريات المتطورة. فالنصف الأول من قشرة الجسيمات يفضل شكلاً ذا تشوه "هيكساديبول" ماسي، بينما يفضل النصف الثاني شكلاً ينتقل نحو الشكل المستطيل. ولم يعد السؤال هو ما إذا كان هذا النمط موجوداً، بل لماذا يحدث.

وللإجابة على ذلك، نظر الباحث في المسارات المحددة، أو المدارات، التي تتبعها الجسيمات داخل هذه الحاوية. ففي الكرة المثالية المستديرة، يمكن للجسيمات أن تسلك العديد من الحلقات المتطابقة. ومع ذلك، عندما تتمدد النواة أو تنكمش، تصبح بعض هذه الحلقات غير مستقرة وتتفكك، بينما تظهر حلقات جديدة ومستقرة. هذا هو "التفرع". ووجدت الدراسة أن شكل النواة يتحدد بناءً على أي من هذه المدارات هي الأكثر استقراراً في لحظة معينة. فعندما تكون النواة في النصف الأول من القشرة، يكون هناك نوع معين من المدارات الذي يدور حول خط الاستواء مستقراً للغاية عندما تتخذ النواة شكلاً ماسياً. وهذا الاستقرار يخفض طاقة النظام، مما يجعل ذلك الشكل هو المفضل. ومع إضافة المزيد من الجسيمات، تتغير الظروف، ويفقد المدار الاستوائي استقراره، مما يؤدي إلى تحول النواة نحو الشكل المستطيل.

كان الاكتشاف الأكثر إثارة هو كيفية عمل نوعين مختلفين من تغيرات الشكل معاً لخلق هذا التأثير. فالنواة لديها طريقتان رئيسيتان للتشوه: يمكنها أن تتمدد مثل كرة الرغبي، أو يمكنها تغيير سمكها بطريقة تخلق تناظراً رباعي الأضلاع. وقد أظهر البحث أن الانتقال من الشكل الماسي إلى المستطيل مدفوع بالتفاعل بين هذين النوعين من التشوهات. ففي النصف الأول من القشرة، تجد الجسيمات "نقطة مثالية" حيث يعمل التمدد وتغيير السمك معاً لاستعادة تناظر محلي مؤقت، مما يجعل الشكل الماسي مفضلاً من حيث الطاقة. وفي النصف الثاني، يتولى نوع آخر من التفاعل زمام الأمور؛ حيث يحدث نوعان متميزان من تغيرات المسار في وقت واحد تقريباً، مما يخلق تناظراً معقداً وعالي الأبعاد يفضل الشكل المستطيل. هذا الحدوث المتزامن لتغيرين مختلفين في المسار هو حدث نادر في الفيزياء، يُعرف باسم "تفرع الكوديمينشن-تو" (codimension-two bifurcation)، وهو يعمل كمحرك يدفع النواة إلى شكلها النهائي.

كما تناولت الدراسة لغزاً طال أمده: لماذا تفضل معظم النوى أن تكون ممددة (prolate) بدلاً من أن تكون مفلطحة (oblate)؟ يشير التحليل إلى أن الطريقة المحددة التي تتفرع بها المسارات في اتجاه التمدد تخلق ميزة طاقية أقوى بكثير من الاتجاه المفلطح. فالمسارات التي تثبت الشكل الممدد هي أكثر عدداً وأكثر متانة، مما يدفع النواة فعلياً نحو الاستطالة. ورغم أن النموذج البسيط المستخدم في الدراسة لم يعيد إنتاج الأشكال المفلطحة التي تُرى في بعض النوى الثقيلة بدقة، إلا أن الباحث أشار إلى أن تأثير المسارات الاستوائية لم يكن قوياً بما يكفي في نموذج التجويف هذا لتحقيق حالة أرضية مفلطحة. ومع ذلك، اقترح الباحث أن إضافة ميزات أكثر واقعية، مثل سطح ضبابي بدلاً من جدار صلب، من شأنها على الأرجح تعزيز تأثير المسارات الاستوائية، مما يسمح للأشكال المفلطحة بالظهور بشكل طبيعي. وهذا يعني أن نفس الآلية الأساسية لتفرع المسارات هي التي تحكم كل هذه التغيرات في الشكل، بغض النظر عن التفاصيل المحددة للقوة النووية.

في نهاية المطاف، يقدم هذا العمل تفسيراً ميكانيكياً واضحاً لظاهرة كانت في السابق مجرد ملاحظة إحصائية. فهو يوضح أن الأشكال المعقدة للنوى الذرية ليست عشوائية، بل هي نتيجة مباشرة لإيجاد الجسيمات للمسارات الأكثر كفاءة عبر مشهد متغير. إن الأشكال الماسية والمستطيلة ليست مجرد اختلافات عشوائية، بل هي النتائج الطبيعية للقواعد الكمومية التي تحكم كيفية ملء الجسيمات للمساحة. ومن خلال تحديد اللحظات المحددة التي تنقسم فيها مسارات هذه الجسيمات وتتحد مجدداً، أضاءت الدراسة البنية الخفية للنواة الذرية. وهي تشير إلى أن الكون، حتى في أصغر مقاييسه، يعمل وفق منطق الاستقرار والتناظر، حيث يتحدد شكل الجسم من خلال الطريقة الأكثر كفاءة لحركة مكوناته الداخلية. ويقربنا هذا الفهم من صورة موحدة لكيفية تنظيم المادة لنفسها، من أبسط الذرات إلى أكثر العناصر تعقيداً.