Singular observation of shape and spin hindrance in metastable nuclear decay of $^{197}$Au

في قلب كل ذرة يكمن النواة، وهي كتلة متراصة من البروتونات والنيوترونات التي تتصرف عادةً ببساطة يمكن التنبؤ بها. وعندما تُثار هذه النوى، فإنها عادةً ما تطلق طاقتها الزائدة بشكل فوري تقريبًا، وتتخلص منها في جزء من الثانية. ومع ذلك، تخلق الطبيعة أحيانًا استثناءً نادرًا: "المتآصل النووي" (nuclear isomer). هذه حالة تتعثر فيها النواة، متمسكة بطاقتها لفترة طويلة بشكل مفاجئ، تصل أحيانًا إلى ثوانٍ أو حتى سنوات. يحدث هذا التأخير لأن النواة تغير شكلها أو دورانها بطريقة تجعل من الصعب جدًا العودة إلى حالة أكثر هدوءًا. ويدرس العلماء هذه الحالات المستعصية لأنها تعمل كمجسات حساسة، تكشف كيف تتفاعل اللبنات الأساسية للمادة وكيف تشكل قواعد العالم الكمي الكون الفيزيائي.

لعقود من الزمن، عرف الباحثون سببين رئيسيين قد يجعل النواة "تتعثر". فأحيانًا تغير النواة شكلها الفيزيائي، مثل كرة تتمدد لتصبح كرة قدم أمريكية، ويكون استرداد الطاقة اللازمة لإعادتها إلى شكلها الأصلي مرتفعًا للغاية. وفي أحيان أخرى، تدور النواة بسرعة كبيرة أو في اتجاه محدد للغاية بحيث لا يمكنها التباطؤ بسهولة دون كسر قواعد الفيزياء. وحتى الآن، كان يُعتقد أن هذين السببين للتأخير هما ظاهرتان منفصلتان، تحدثان في أنواع مختلفة من الذرات. لكن فريقًا من علماء الفيزياء اكتشف الآن حالة فريدة يحدث فيها السببان معًا في آن واحد داخل ذرة واحدة، مما يخلق لغزًا معقدًا يتحدى فهمنا الحالي لكيفية بناء النوى الذرية.

ركز الباحثون اهتمامهم على الذهب، وتحديدًا النظير المستقر ذهب-197. وبينما يعد الذهب معدنًا مألوفًا، يمكن استثارة نواته الذرية باستخدام حزم جسيمات عالية الطاقة. وفي تجارب أُجريت في مسرع "أطلس" (ATLAS) في إلينوي، أطلق العلماء حزمًا من الذرات الثقيلة على رقاقة ذهبية سميكة لهز نوى الذهب إلى هذه الحالات عالية الطاقة. ثم انتظروا، مستخدمين كواشف عالية الحساسية للاستماع إلى الإشارات الخافتة لأشعة غاما — وهو الضوء المنبعث عندما تسترخي النواة أخيرًا. ومن خلال توقيت هذه الإشارات بدقة، تمكنوا من تحديد حالة جديدة طويلة الأمد داخل نواة الذهب لم تكن مرئية من قبل.

تقع هذه الحالة المكتشفة حديثًا عند مستوى طاقة قدره 2102 كيلو إلكترون فولت ولها قيمة دوران قدرها 29/2، وهي مقياس لزخمها الزاوي. وما يجعل هذا الاكتشاف رائعًا هو كيف تقرر النواة التخلي عن طاقتها. فبدلاً من اتخاذ مسار واحد مباشر، تواجه معضلة غريبة؛ إذ يمكنها إطلاق الطاقة عن طريق تغيير شكلها، وهي عملية تكون فعالة عادةً، ولكن في هذه الحالة، يكون هذا المسار مسدودًا بشدة. وفي الوقت نفسه، يمكنها إطلاق الطاقة عن طريق تقليل دورانها، وهي عملية تسير عادةً بقوة "الجسيم الواحد" تقريبًا، ومع ذلك فهي تتنافس هنا مع تغيير الشكل المسدود. ينتهي الأمر بالنواة بتقسيم اضمحلالها إلى فرعين متنافسين: أحدهما يعوقه تغيير الشكل بشدة، والآخر يتبع مسارًا مرتبطًا بالدوران بكثافة مماثلة، رغم التعايش غير المعتاد بين هاتين الآليتين.

قاس الفريق عمر هذه الحالة ليجد أنه أطول من عشر ثوانٍ، وهو ما يعد "دهرًا" في عالم الفيزياء النووية. وقد لاحظ البواحثون أن النواة تبعث شعاع غاما بطاقة قدرها 266.6 كيلو إلكترون فولت أثناء هبوطها إلى مستوى طاقة أدنى. هذا الانبعاث المحدد هو نوع من الانتقالات التي تكون نادرة وبطيئة للغاية في العادة، ومع ذلك فهو يتنافس مباشرة مع انتقال آخر متعلق بتغيير الشكل، وهو انتقال ضعيف جدًا ومسدود تقريبًا. هذا التعايش غير المعتاد بين تغيير شكل مسدود وانتقال دوران منافس لم يُلاحظ من قبل في حالة نووية طويلة الأمد. ويشير ذلك إلى أن نواة الذهب عالقة بين واقعين هيكليين مختلفين، غير قادرة على الالتزام الكامل بأحدهما أو الآخر.

لفهم سبب حدوث ذلك، أجرى العلماء عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة باستخدام نموذجين مختلفين للبنية النووية. تعامل أحد النموذجين مع النواة كجسم مشوه ودوار، بينما نظر الآخر في الجسيمات الفردية بداخلها. واتفق كلا النموذجين على أن النواة لها شكل متوسط ومسطح، لكنهما كشفا أيضًا عن تعارض؛ حيث أظهرت الحسابات أن الانتقال الذي يتضمن تغيير الشكل يجب أن يكون أقوى بكثير مما لوحظ، بينما طابق الانتقال المرتبط بالدوران البيانات بشكل أفضل. يشير هذا التباين إلى أن النماذج البسيطة تفتقر إلى شيء مهم حول كيفية اختلاط الشكل والجسيمات الفردية معًا في هذه الحالة المحددة. وتشير النتائج إلى أنه حتى بالقرب من المناطق المستقرة والمفهومة جيدًا في الجدول الدوري، يمكن أن يكون سلوك النوى الذرية أكثر تعقيدًا مما كان يُعتقد سابقًا.

إن هذا الاكتشاف مهم لأنه يجبر العلماء على إعادة تقييم كيفية وصفهم للحياة الداخلية للذرة. فغالبًا ما تعامل النظريات الحالية الشكل الجماعي للنواة وسلوك جسيماتها الفردية كقصتين منفصلتين. لكن "متآصل الذهب-197" يظهر أن هاتين القصتين متشابكتان بعمق، حيث يعيق الشكل عملية الاضمحلال بينما يسير الانتقال المرتبط بالدوران بقوة "الجسيم الواحد" تقريبًا. وهذا يخلق معيارًا فريدًا لاختبار النظريات الحديثة، إذ يجب على أي نموذج ناجح الآن أن يكون قادرًا على شرح كيفية عمل هذين النوعين المختلفين من المقاومة معًا في ذرة واحدة. إن هذا الاكتشاف لا يضيف مجرد مدخل جديد إلى قائمة الحالات النووية، بل يفتح نافذة على التفاعل المعقد بين الحركة الجماعية للنواة وميكانيكا الكم لمكوناتها، مما يثبت أنه حتى في عالم الذهب المألوف، لا تزال هناك أسرار عميقة تنتظر الحل.