Yoctosecond imaging of the 129Xe ground state at the Large Hadron Collider

لفهم نواة الذرة، اعتمد العلماء لفترة طويلة على طريقتين مختلفتين تماماً للنظر إلى العالم. يستخدم أحد النهجين تجارب منخفضة الطاقة، حيث تقوم حزم من الجسيمات بسبر سطح النواة بلطف، مما يكشف عن متوسط شكلها وحجمها. أما النهج الآخر فيستخدم تصادمات عالية الطاقة، حيث تُصدم الذرات معاً بسرعة تقترب من سرعة الضوء لإنشاء كرة نارية وجيزة ومتقدة من الجسيمات دون الذرية. ولعقود من الزمن، ظلت هذان العالمان منفصلين إلى حد كبير؛ فقد كان يُنظر إلى التصادمات عالية الطاقة في المقام الأول كوسيلة لدراسة القوى الأساسية التي تربط المادة ببعضها البعض، بينما كانت الأساليب منخفضة الطاقة هي المعيار لرسم هيكل الذرات الفردية. ومع ذلك، برز منظور جديد: يمكن للتصادم العنيف نفسه أن يعمل ككاميرا، تلتقط صورة فوتوغرافية للترتيب الداخلي للنواة قبل تدميرها. وهذا ممكن لأن التصادم يحدث بسرعة كبيرة لدرجة أن مواقع البروتونات والنيوترونات داخل النواة تكون "مجمدة" فعلياً في مكانها أثناء الاصطدام. ومن خلال تحليل الحطام الذي يتطاير بعد الارتطام، يمكن لعلماء الفيزياء العمل بشكل عكسي لإعادة بناء ترتيب تلك الجسيمات، مما يتيح تصوير النواة بطريقة كانت مستحيلة سابقاً.

لقد خطت مجموعة من الباحثين في "سيرن" (CERN) الآن خطوة كبيرة للأمام في هذا المفهوم، باستخدام بيانات من مصادم الهادرونات الكبير لإنشاء صورة تفصيلية للحالة الأرضية لنواة الزينون-129. وفي دراسة نُشرت مؤخراً، دمجوا نموذجاً للنواة كجسم دوار ومشوه مع محاكاة حاسوبية معقدة للتصادم الناتج. كان الهدف هو تجاوز مجرد التخمين حول شكل النواة والبدء بدلاً من ذلك في استخراج قياسات كمية دقيقة لكيفية ارتباط البروتونات والنيوترونات ببعضها البعض. ومن خلال تحليل أنماط الجسيمات الناتجة عن التصادمات بين ذرات الزينون، ومقارنتها بالتصادمات بين ذرات الرصاص، تمكن الفريق من تحديد أن نواة الزينون-129 ليست كرة مثالية، ولا بيضاوية بسيطة؛ بل تمتلك عدم تناظر ثلاثي الجوانب معقداً، وهو شكل يتوافق مع التوقعات النظرية لهذا النظير المحدد. ويمثل هذا الإنجاز تحولاً من الملاحظة النوعية إلى القياس الكمي، مما يسمح للعلماء باستخدام مصادمات الجسيمات كأدوات دقة لرسم الهندسة الداخلية للنوى الذرية.

تعتمد هذه العملية على الظروف الفريدة التي تنشأ عند تصادم أيونين ثقيلين بسرعات فائقة النسبية. فعندما تصطدم نواة زينون بأخرى، يحدث التفاعل في أقل من "يوكتو ثانية"، وهو مقياس زمني قصير جداً لدرجة أن البروتونات والنيوترونات داخلها لا تستطيع التحرك أو إعادة ترتيب نفسها أثناء الاصطدام؛ فهي تظل مجمدة في التكوين الذي كانت عليه قبل الارتطام مباشرة. ثم يتم إسقاط هذا التكوين المجمد على مستوى التصادم، مما يخلق نمطاً هندسياً محدداً. ويحدد هذا النمط كيفية توسع وتبريد كرة النار الناتجة من المادة الساخنة، والمعروفة باسم بلازما الكوارك-غلوون. فإذا كانت النواة مستديرة، تتوسع كرة النار بشكل متساوٍ، أما إذا كانت النواة ممتدة أو مفلطحة، فإن كرة النار تتوسع في اتجاهات أكثر من غيرها. ومن خلال قياس التدفق النهائي للجسيمات الناشئة عن كرة النار هذه، وتحديداً كيفية تحركها بالنسبة لبعضها البعض، يمكن لعلماء الفيزياء استنتاج شكل النواة الأصلي.

ركز الباحثون على نظير الزينون-129، المعروف بكونه مشوهاً، مما يعني أنه ليس كرة مثالية. وقد استخدموا طريقة إحصائية تسمى "الاستدلال البايزي" لتحليل مجموعة ضخمة من بيانات التصادمات. سمحت لهم هذه الطة باختبار ملايين الأشكال والتوجهات المحتملة مقابل البيانات التجريبية لمعرفة أي منها يتوافق مع تدفقات الجسيمات المرصودة. ووجدوا أن البيانات تدعم بقوة نموذجاً يكون فيه الزينون "ثلاثي المحاور" (triaxial)، مما يعني أن له ثلاثة محاور غير متساوية، ويشبه شكلاً غير منتظم ومضغوط قليلاً بدلاً من كونه كرة قدم أمريكية أو قرصاً مسطحاً. وحددت الدراسة أن التشوه يقترب من الحد الأقصى، مع زاوية عدم تناظر محددة تبلغ حوالي 40 درجة. وتعد هذه النتيجة مهمة لأنها تتوافق مع حسابات مستقلة أجرتها طرق نظرية أخرى، مما يؤكد أن نهج التصادم عالي الطاقة يمكنه استخراج التفاصيل الهيكلية التي لم يكن من الممكن الوصول إليها سابقاً إلا من خلال التجارب منخفضة الطاقة.

وبعيداً عن مجرد تأكيد الشكل، قدمت الدراسة أول قياسات تجريبية لارتباطات محددة بين البروتونات والنيوترونات داخل النواة. ففي النظام الكمي، غالباً ما يرتبط موقع جسيم واحد بموقع جسيم آخر، وهي ظاهرة تُعرف بالارتباط. وقد تمكن الباحثون من تحديد هذه الروابط لكل من أزواج الجسيمات ومجموعات الثلاثة منها. ووجدوا أن ترتيب هذه الجسيمات يخلق بصمة مميزة في حطام التصادم. فعلى سبيل المثال، قاموا بقياس كيفية ارتباط الحجم الإجمالي للنواة بشكلها، ووجدوا علاقة محددة تنطبق على هذا النظير. وتعمل هذه القياسات كمعايير مرجعية جديدة للمنظرين الذين يحاولون بناء نماذج أساسية للنواة من الصفر؛ فمن خلال تقديم أرقام ملموسة لهذه الارتباطات، توفر الدراسة طريقة جديدة لاختبار وصقل النظريات التي تصف كيفية ربط القوة النووية القوية للمادة.

تمتد آثار هذا العمل إلى ما هو أبعد من بنية ذرة واحدة. إن القدرة على استخراج البنية النووية التفصيلية من التصادمات عالية الطاقة تفتح آفاقاً جديدة لدراسة الخصائص الأساسية للمادة. وأشار الباحثون إلى أن نتائجهم يمكن أن تساعد في تحسين الحسابات المتعلقة بـ "تحلل بيتا المزدوج عديم النيوترينو"، وهي عملية نادرة، إذا لوحظت، فستثبت أن النيوترينوات هي جسيمات مضادة لنفسها. إن فهم الترتيب الدقيق للنيوكليونات في النوى الأم أمر بالغ الأهمية للتنبؤ بمعدل هذا التحلل. علاوة على ذلك، يمكن تطبيق التقنيات المطورة هنا على نظائر أخرى، مما قد يكشف عن تفاصيل جديدة حول القوة النووية وسلوك المادة تحت الظروف القصوى. كما تطرقت الدراسة إلى نواة الرصاص-208، حيث وجدت دليلاً على نوع مختلف من التشوه كان قد أشارت إليه تجارب أخرى، مما يعزز صحة حساسية هذه الطريقة.

يُظهر هذا البحث أن مصادم الهادونات الكبير، المرتبط غالباً بالبحث عن جسيمات جديدة وأصول الكون، يمكن أن يعمل أيضاً كمجهر قوي للنواة الذرية. فمن خلال معاملة التصادم كعملية سبر مفاجئة تجمد التكوين النووي، نجح العلماء في تحويل حدث تدميري إلى مصدر للمعلومات الهيكلية الدقيقة. ويشير نجاح الفريق في رسم خريطة لنواة الزينون-129 إلى إمكانية استخدام هذا النهج لاستكشاف الحالات الأرضية للعديد من النظائر الأخرى، مما يوفر ثروة من البيانات الجديدة لعلماء الفيزياء النووية. وتؤكد النتائج أن الديناميكيات المعقدة متعددة الأجسام للبروتونات والنيوترونات تترك بصمة واضحة وقابلة للقياس في حطام التصادمات عالية الطاقة، مما يسد الفجوة بين عالم الفيزياء عالية الطاقة وعالم البنية النووية منخفضة الطاقة.