The effect of the coupling between the neutron multiplicity and the fission competition on the evaporation residue cross sections of the CaPu reaction
تُظهر هذه الدراسة أن المعالجة المقترنة لتعدد النيوترونات والمنافسة الانشطارية، بدلاً من النهج التقليدي القائم على التفكيك، تُحسن بشكل كبير من دقة تنبؤات احتمالية البقاء لتفاعل Ca+Pu، لا سيما لقناة الـ 3n، بينما تسلط الضوء أيضاً على الحساسية المفرطة لمقاطع عرض بقايا التبخر تجاه التغيرات الطفيفة في ارتفاع حاجز الانشطار.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في سعيها لفهم الحدود القصوى للمادة، يحاول علماء الفيزياء النووية باستمرار بناء أثقل الذرات الممكنة. هذه العناصر فائقة الثقل لا توجد في الطبيعة؛ بل يجب إنشاؤها في المختبر عن طريق صدم نواتي ذرتين أخف وزناً ببعضهما البعض بسرعات هائلة. وعندما تصطدمان، قد تندمجان في نواة واحدة ضخمة وعالية الاستثارة. هذا الابتكار الجديد يكون غير مستقر، مثل قطعة "البلبل" (الدوامة) التي تترنح على طاولة، ويجب أن يبرد بسرعة لكي ينجو. وهو يفعل ذلك عن طريق إطلاق جسيمات صغيرة، وتحديداً النيوترونات، للتخلص من طاقته الزائدة. وإذا تمكن من التبريد دون أن ينقسم، فإنه يصبح عنصراً جديداً وأثقل. ومع ذلك، فإن احتمالات حدوث ذلك ضئيلة للغاية. فالنواة في صراع مستمر بين رغبتها في التبريد عبر قذف النيوترونات، وبين الدافع العارم للانقسام إلى جزأين، وهي عملية تسمى الانشطار. وغالباً ما يتحدد الفرق بين إنشاء عنصر جديد أو مشاهدته يتلاشى في جزء من الثانية بناءً على جزء من الثانية وكمية ضئيلة من الطاقة.
لقد ألقى فريق من الباحثين في أوزبكستان نظرة جديدة على كيفية حدوث معركة التبريد هذه، وتحديداً لتفاعل ينتج نظيراً لعنصر الفليروفيوم. وقد ركزوا على تصادم محدد: شعاع من ذرات الكالسيوم-48 يصطدم بهدف من البلوتونيوم-244. هذا التفاعل هو أحد أكثر الطرق موثوقية التي يمتلكها العلماء حالياً لصنع نوى فائقة الثقل، ومع ذلك، ظل التنبؤ بدقة بعدد هذه الذرات الجديدة التي سيتم إنشاؤها تحدياً صعباً. وجد الباحثون أن الطريقة القياسية التي استخدمها العلماء لحساب هذه الاحتمالات لعقود كانت تفتقد إلى قطعة حاسمة من اللغز. ومن خلال تغيير كيفية نمذجة عملية التبريد، اكتشفوا أن الطرق القديمة كانت تقلل بشكل كبير من فرص البقاء لنتائج معينة، مما كشف أن العلاقة بين عدد النيوترونات المنبعثة وخطر انقسام النواة هي علاقة أكثر ترابطاً مما كان يُعتقد سابقاً.
تتمحور الدراسة حول لحظة محددة في حياة نواة فائقة الثقل. فبعد أن يدمج التصادم الأولي بين الكالسيوم والبلوتونيوم، تصبح النواة الناتجة ساخنة وتدور بسرعة. ويجب عليها التخلص من الطاقة لكي تنجو. وهي تفعل ذلك عن طريق انبعاث النيوترونات واحداً تلو الآخر. وفي كل خطوة من خطوات عملية التبريد هذه، تواجه النواة خياراً: إما أن تطلق نيوتروناً آخر وتنجو لترى الخطوة التالية، أو تنقسم وتفنى. في الماضي، كان العلماء يحسبون احتمال البقاء هذا عبر معاملة هذين الخيارين كحدثين منفصلين. حيث كانوا أولاً يقدرون عدد النيوترونات التي ستتخلص منها النواة في المتوسط، ثم يحسبون بشكل منفصل فرصة انقسامها عند كل خطوة على طول ذلك المسار المتوسط. لقد كانت طريقة تفترض أن النواة تتبع مساراً واحداً يمكن التنبؤ به.
يتحدى البحث الجديد هذا الفصل. إذ يجادل المؤلفون بأن النواة لا تتبع مساراً متوسطاً واحداً. بدلاً من ذلك، تتبع كل نواة في التجربة مسارها الفريد، حيث تفقد كميات مختلفة من الطاقة في أوقات مختلفة. بعض النوى تفقد الطاقة بسرعة وتصبح باردة مبكراً، بينما تبقى أخرى ساخنة لفترة أطول. وتكون مخاطر الانقسام في أعلى مستوياتها عندما تكون النواة ساخنة. لذلك، فإن النوى التي تنجو بما يكفي لانبعاث عدة نيوترونات ليست هي النوى "المتوسطة" الساخنة؛ بل هي تلك التي حدث وأن ظلت أبرد من المتوسط. ومن خلال معاملة عدد النيوترونات وخطر الانقسام كأحداث مستقلة، أغفلت الطريقة القديمة هذا التأثير الترشيحي الدقيق. فقد افترضت أن الناجين كانوا بنفس حرارة المتوسط، بينما في الواقع، كان الناجون هم "المحظوظون" الأكثر برودة.
لاختبار هذه الفكرة، بنى الباحثون نموذجاً حاسوبياً جديداً يتتبع التجمع بأكمله من النوى، وليس فقط المتوسط. لقد قاموا بمحاكاة التصادم وتتبع آلاف النوى الفردية أثناء تبريدها، مما سمح لكل منها باتخاذ قراراتها الخاصة بشأن ما إذا كانت ستطلق نيوتروناً أم ستنقسم. هذا النهج "المترابط" يعني أن عدد النيوترونات المنبعثة والمنافسة مع الانشطار كانا يتحددان في آن واحد لكل نواة بناءً على طاقتها الفعلية في تلك اللحظة. كانت النتائج مذهلة. فبالنسبة للتفاعل المحدد الذي درسوه، أظهرت الطريقة الجديدة أن فرصة إنشاء نوع معين من ذرات الفليروفيوم (الناتجة عن انبعاث ثلاثة نيوترونات) كانت أعلى بكثير مما توقعته الطريقة القديمة. وعند مستويات طاقة معينة، أظهر حسابهم الجديد أن احتمالية البقاء كانت أكبر بسبعة عشر إلى أربعة وعشرين مرة من التقدير التقليدي.
هذا الفرق الهائل لم يعني أن العدد الإجمالي للذرات التي تم إنشاؤها كان خاطئاً، بل يعني أن توزيع أنواع الذرات المختلفة كان هو الخاطئ. لم تكن الطريقة القديمة مخطئة قليلاً فحسب، بل كانت تسيء تقدير القوة النسبية للنتائج المختلفة. لقد قللت من تقدير احتمالية نتيجة الثلاثة نيوترونات، بينما كان تأثيرها أقل بكثير على نتيجة الأربعة نيوترونات. وهذا يشير إلى أن الربط بين التبريد والانقسام هو المفتاح لفهم سبب إنتاج بعض التفاعلات لنوع معين من النظائر أكثر من غيره. كما وجد الباحثون أن الارتفاع الدقيق لحاجز الطاقة الذي يحفظ تماسك النواة أمر بالغ الأهمية. فقد اختبروا طريقتين مختلفتين لحساب هذا الحاجز، واختلفتا بأقل من مليون إلكترون فولت — وهي كمية ضئيلة جداً في عالم الفيزياء النووية. ومع ذلك، غير هذا الفرق الضئيل احتمالية البقاء المتوقعة بأكثر من عشرة أضعاف. وهذا يسلط الض الضوء على أنه بينما يعد تتبع عملية التبريد تحسيناً كبيراً، فإن أكبر شك يظل قائماً هو معرفة القوة الدقيقة للقوى التي تمسك هذه النوى فائقة الثقل معاً.
قارن الفريق حساباتهم الجديدة بالبيانات التجريبية الحقيقية التي جُمعت على مدار العقدين الماضيين من مختبرات في روسيا وألمانيا والولايات المتحدة. نجح نموذجهم الجديد، الذي يأخذ في الاعتبار الطبيعة المترابطة للتبريد والانقسام، في إعادة إنتاج ثمانية من أصل أربعة عشر نقطة بيانات مقاسة ضمن عامل قدره اثنين. ويمثل هذا تحسناً كبيراً في الدقة بالنسبة لمثل هذا النظام المعقد. وبينما كان النموذج لا يزال يواجه صعوبة في المطابقة التامة للبيانات عند الحافة الصاعدة لمنحنى الطاقة وعند الطاقات العالية جداً، إلا أنه قدم صورة أوضح بكثير للعملية من المحاولات السابقة. يوضح العمل أنه لكي يتمكن العلماء حقاً من التنبؤ بخلق العناصر فائقة الثقل، يجب عليهم التوقف عن معاملة عملية التبريد كعملية خطية بسيطة، والبدء في مراعاة الرحلات المعقدة والفردية لكل نواة.
في نهاية المطاف، لا تكتفي هذه الدراسة بتنقيح رقم ما، بل تغير فهم الآلية نفسها. فهي تظهر أن بقاء نواة فائقة الثقل ليس مسألة إحصاء بسيط يطبق على مسار متوسط، بل هو عملية ترشيح معقدة حيث يكون الناجون هم مجموعة فرعية معينة وأكثر برودة من السكان الأصليين. ويخلص الباحثون إلى أنه بينما تعد طريقتهم الجديدة أداة قوية، فإن الطريق إلى الأمام يتطلب معرفة أكثر دقة بالقوى النووية الفاعلة. وإلى أن تُعرف القوة الدقيقة لحاجز الانشطار بيقين أكبر، ستظل التنبؤات بكيفية إنشاء عناصر جديدة محدودة، مهما بلغت درجة تطور النماذج الحاسوبية. ويقف هذا العمل كذكرى بأن التفاصيل المتعلقة بكيفية حدوث الأشياء في العالم دون الذري لا تقل أهمية عن النتيجة النهائية نفسها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.