Shape coexisting intruder states in even Sn isotopes and their influence on the $B_{4/2}<1$ anomaly

في أعماق كل ذرة، يكمن النواة، وهي تجمع كثيف من البروتونات والنيوترونات التي لا تتصرف ككرة ثابتة من الطين، بل كقطرة من سائل يمكنها أن تتمدد وتتسطح وتتذبذب. لعقود من الزمن، درس الفيزيائيون هذه النوى الصغيرة لفهم كيفية تماسكها وكيفية تغير أشكالها. وتتمثل إحدى الألغاز الأكثر إثارة للاهتمام في هذا المجال في الذرات التي يبدو أنها توجد في شكلين مختلفين في الوقت نفسه. تخيل نواة يمكن أن تكون مستديرة تماماً، مثل كرة البلياردو، ثم تتمدد فجأة لتصبح على شكل كرة قدم دون تغيير عدد جسيماتها. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "تعايش الأشكال"، تتحدى فهمنا لكيفية تنظيم المادة لنفسها في أصغر المقاييس. ويركز العلماء على عائلة محددة من الذرات تسمى نظائر القصدير لأنها تقدم سلسلة طويلة ومستقرة من الأمثلة حيث يمكن ملاحظة وقياس هذه التغيرات في الشكل. ومن خلال دراسة كيفية انتقال هذه الذرات بين أشكالها المختلفة، يأمل الباحثون في الكشف عن القواعد الأساسية التي تحكم بنية المادة بأكملها.

في دراسة حديثة، وجه فريق من الفيزيائيين اهتمامهم إلى مجموعة محددة من ذرات القصدير، تتراوح من النسخ الأخف وزناً ذات الأعداد الكتلية 114 إلى النسخ الأثقل ذات العدد الكتلي 122. وكانوا مهتمين بشكل خاص بشذوذ غريب تم الإبلاغ عنه في بعض هذه الذرات: وهو قياس يشير إلى أن النواة كانت تتصرف بطريقة تتحدى التوقعات القياسية. وتحديداً، عندما تقفز هذه الذرات من مستوى طاقة إلى آخر، فإن احتمالية القفزة لم تتبع النمط السلس المشاهد في العناصر الأخرى. بدلاً من ذلك، انخفضت الأرقام تحت عتبة حرجة، مما يشير إلى أن البنية الداخلية للذرة تتغير بشكل أكثر جذرياً مما توقعه أي شخص. ولحل هذا الغموض، بنى الباحثون نموذجاً رياضياً يعامل النواة ليس كمجموعة من الجسيمات الفردية، بل كجسم واحد يتحرك عبر مشهد من الطاقة. لقد تخيلوا هذا المشهد كوادٍ يحتوي على منخفضين متميزين، أو بئرين. يمثل أحد المنخفضين شكلاً مستديراً كروياً، بينما يمثل الآخر شكلاً ممتداً مشوهاً. يمكن للنواة أن تستقر في أي من المنخفضين، أو يمكن أن توجد في حالة هي مزيج من كليهما.

استخدم الباحثون مشهد البئر المزدوج هذا لمحاكاة سلوك ذرات القالب، مع ضبط شكل الوادي لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم إعادة إنتاج مستويات الطاقة المقاسة فعلياً في المختبرات. ووجدوا أنه من خلال ضبط عمق وعرض هذين المنخفضين بعناية، يمكن لنموذذجهم أن يطابق بدقة البيانات التجريبية لمختلف نظائر القصدير. وكشفت عمليات المحاكاة أن الذرات الأخف والأثقل في المجموعة، مثل تلك ذات الأعداد الكتلية 114 و122، تتصرف بشكل مختلف تماماً عن تلك الموجودة في المنتصف. ففي الذرات الأخف، تبدأ النواة في شكل مستدير تقريباً، ولكن مع اكتسابها للطاقة والدوران بشكل أسرع، تمر بتحول مفاجئ ودراماتيكي إلى شكل ممتد للغاية. هذا التغيير المفاجئ في البنية يعني أن الموجة التي تصف الحالة المستديرة والموجة التي تصف الحالة الممتدة لا تتداخلان جيداً. ولأن هذين الشكلين مختلفان جداً، تجد الذرة صعوبة في الانتقال بينهما، مما يؤدي إلى قيم احتمالية منخفضة بشكل غير عادي أثارت حيرة العلماء.

أما بالنسبة للذرات الأثقل ذات الأعداد الكتلية 120 و122، فالوضع مختلف قليلاً ولكنه يؤدي إلى نتيجة مماثلة. هنا، توجد النواة في حالة تكون فيها الأشكال المستديرة والممتدة محتملة بشكل متساوٍ تقريباً، مما يخلق شخصية مزدوجة حيث توجد الذرة في تكوينين مختلفين تماماً في آن واحد. هذا الازدواج يعطل أيضاً الانتقال بين مستويات الطاقة، مما يتسبب في هبوط الاحتمالية بالقرب من نفس العتبة المنخفضة. أما الذرات في منتصف المجموعة، ذات الأعداد الكتلية 116 و118، فتظهر سلوكاً أكثر اندماجاً حيث تندمج الأشكال في بعضها البعض بسلاسة أكبر، متجنبة الهبوط الحاد في الاحتمالية. كما درست الدراسة كيفية اختلاط هذه الأشكال مع بعضها البعض. ففي بعض الحالات، تظل التكوينات المستديرة والممتدة متميزة ومنفصلة، وهي ظاهرة تُعرف باسم "تعايش الأشكال دون اختلاط". وفي حالات أخرى، تندمج معاً. ووجد الباحثون أن الطريقة المحددة التي تختلط بها هذه الأشكال أو تبقى منفصلة هي التي تحدد قوة الانتقالات بين مستويات الطاقة.

من خلال مطابقة نموذجهم بنجاح مع البيانات الواقعية، قدم الفريق تفسيراً واضحاً للقياسات الشاذة. لقد أثبتوا أن الهبوط الغريب في احتمالية الانتقال ليس خطأً عشوائياً أو علامة على نظرية مكسورة، بل هو نتيجة مباشرة لتغير النواة في شكلها بسرعة كبيرة أو وجودها في شكلين متضاربين في آن واحد. تؤكد الدراسة أن الحالات الأرضية لذرات القصدير هذه تقترب من كونها كروية، بينما حالاتها المثارة تكون مشوهة بشكل جيد. ويكمن مفتاح الشذوذ في الحالة التي تمتلك فيها الذرة أعلى دوران في المجموعة الرئيسية، والتي تعمل كجسر بين العالمين المستدير والممتد. وعندما يُبنى هذا الجسر على أساس من شكلين مختلفين تماماً، يصبح الاتصال ضعيفاً، وتنخفض احتمالية الانتقال. يقدم هذا العمل خريطة مفصلة لكيفية تطور الأشكال النووية عبر سلسلة من العناصر، موضحاً أن البنية الداخلية للذرة يمكن أن تتغير بشكل كبير مع إضافة بضعة جسيمات فقط، مما يعيد تشكيل فهمنا للقوى التي تمسك بالنواة الذرية معاً.