اكتشاف سحري مضاعف

قام فريق من الباحثين ، بما في ذلك علماء من مختبر السيكلوترون الوطني فائق التوصيل (NSCL) ومرفق حزم النظائر النادرة (FRIB) في جامعة ولاية ميشيغان (MSU) ، بحل قضية الكتلة المفقودة من الزركونيوم 80.

لكي نكون منصفين ، لقد كسروا القضية أيضًا. أظهر التجريبيون أن الزركونيوم 80 – ذرة زركونيوم تحتوي على 40 بروتونًا و 40 نيوترونًا في قلبها أو نواة—أخف من المتوقع ، وذلك باستخدام قدرة NSCL التي لا مثيل لها على تكوين نظائر نادرة وتحليلها. ثم تمكن منظرو FRIB من تفسير تلك القطعة المفقودة باستخدام Advanced النماذج النووية وطرق إحصائية جديدة.

قال أليك هامكر ، مساعد باحث متخرج في FRIB والمؤلف الأول للدراسة التي نشرها الفريق في 25 نوفمبر في المجلة: “التفاعل بين المنظرين النوويين والتجريبيين يشبه الرقص المنسق”. فيزياء الطبيعة. “يتناوب كل واحد على الآخر ويتبع الآخر”.

قال رايان رينجل ، كبير علماء مختبر FRIB ، والذي كان في المجموعة التي صنعت الزركونيوم -80: “أحيانًا تقدم النظرية تنبؤات في وقت مبكر ، وفي أحيان أخرى تجد التجارب أشياءً لم تكن متوقعة”. كتلة قياس. رينجل هو أيضًا أستاذ مساعد مساعد للفيزياء في FRIB وقسم الفيزياء وعلم الفلك بجامعة MSU في كلية العلوم الطبيعية.

وقال: “إنهم يدفعون بعضهم البعض وهذا يؤدي إلى فهم أفضل للنواة ، التي تشكل أساسًا كل شيء نتفاعل معه”.

إذن هذه القصة أكبر من نواة واحدة. بطريقة ما ، إنها معاينة لقوة FRIB ، وهي منشأة مستخدم للعلوم النووية يدعمها مكتب الفيزياء النووية في وزارة الطاقة الأمريكية ، مكتب العلوم.

عندما تبدأ عمليات المستخدم العام المقبل ، ستتاح الفرصة للعلماء النوويين من جميع أنحاء العالم للعمل مع تقنية FRIB لإنشاء نظائر نادرة سيكون من المستحيل دراستها في مكان آخر. سيكون لديهم أيضًا فرصة للعمل مع خبراء FRIB لفهم نتائج تلك الدراسات وآثارها. لهذه المعرفة مجموعة من التطبيقات ، من مساعدة العلماء على فهم الكون بشكل أكبر إلى تحسين علاجات السرطان.

قال رينجل: “بينما نمضي قدمًا في عصر FRIB ، يمكننا إجراء قياسات كما فعلنا هنا وأكثر من ذلك بكثير”. “يمكننا المضي أبعد من ذلك. هناك قدرة كافية هنا لإبقائنا نتعلم لعقود.”

ومع ذلك ، فإن الزركونيوم -80 هو نواة مثيرة للاهتمام حقًا في حد ذاته.

بالنسبة للمبتدئين ، إنها نواة صعبة ، ولكن صنع نوى نادرة هو تخصص NSCL. أنتجت المنشأة ما يكفي من الزركونيوم -80 لتمكين رينجل وهاماكر وزملائهم من تحديد كتلته بدقة غير مسبوقة. للقيام بذلك ، استخدموا ما يُعرف باسم مطياف الكتلة Penning trap في منشأة NSCL ذات الشعاع المنخفض الطاقة ومصيدة الأيونات (LEBIT).

قال حماكر: “لقد قاس الناس هذه الكتلة من قبل ، لكن لم يقاسوا ذلك بدقة”. “وهذا كشف عن بعض الفيزياء المثيرة للاهتمام.”

قال رينجل: “عندما نجري قياسات الكتلة بهذا المستوى الدقيق ، فإننا في الواقع نقيس مقدار الكتلة المفقودة”. “كتلة النواة ليست مجرد مجموع كتلة البروتونات والنيوترونات فيها. هناك كتلة مفقودة تظهر كطاقة تمسك النواة ببعضها.”

هذا هو المكان الذي تساعد فيه إحدى أشهر المعادلات العلمية في شرح الأشياء. في E = mc²، يرمز الحرف E إلى الطاقة بينما يرمز m إلى الكتلة (c هو رمز سرعة الضوء). هذا يعني أن الكتلة والطاقة متكافئان ، على الرغم من أن هذا لا يمكن ملاحظته إلا في الظروف القاسية ، مثل تلك الموجودة في لب الذرة.

عندما يكون للنواة طاقة ارتباط أكبر – بمعنى أنها تمتلك قوة أكبر في احتكاكها بالبروتونات والنيوترونات – سيكون لديها المزيد الكتلة المفقودة. هذا يساعد في تفسير حالة الزركونيوم -80. نواتها مرتبطة بإحكام ، وكشف هذا القياس الجديد أن الارتباط كان أقوى من المتوقع.

هذا يعني أنه كان على منظري FRIB إيجاد تفسير ويمكنهم اللجوء إلى التنبؤات منذ عقود للمساعدة في تقديم إجابة. على سبيل المثال ، اشتبه المنظرون في أن نواة الزركونيوم 80 يمكن أن تكون سحرية.

بين الحين والآخر ، نواة معينة تخالف توقعاتها الكتلية من خلال وجود عدد خاص من البروتونات أو النيوترونات. يشير الفيزيائيون إلى هذه الأعداد السحرية. افترضت النظرية أن الزركونيوم 80 يحتوي على عدد خاص من البروتونات والنيوترونات ، مما يجعله سحرًا مضاعفًا.

أظهرت التجارب السابقة أن الزركونيوم 80 يشبه كرة الرجبي أو كرة القدم الأمريكية أكثر من شكله الكروي. تنبأ المنظرون أن الشكل يمكن أن يؤدي إلى هذه السحر المزدوج. من خلال القياس الأكثر دقة لكتلة الزركونيوم -80 حتى الآن ، يمكن للعلماء دعم هذه الأفكار ببيانات صلبة.

قال هامكر: “توقع المنظرون أن الزركونيوم -80 كان نواة مشوهة مزدوجة السحر منذ أكثر من 30 عامًا”. “لقد استغرق الأمر بعض الوقت حتى يتعلم التجريبيون الرقص ويقدمون الدليل للمنظرين. والآن بعد أن أصبح الدليل موجودًا ، يمكن للمنظرين وضع الخطوات القليلة التالية في الرقصة.”

لذا تستمر الرقصة ، ولتوسيع الاستعارة ، تقدم NSCL و FRIB و MSU واحدة من أفضل قاعات الرقص لتلعب بها. تفتخر بمنشأة فريدة من نوعها ، وموظفين خبراء ، وبرنامج خريجي الفيزياء النووية الأعلى مرتبة في البلاد.

قال Hamaker “أنا قادر على العمل في الموقع في منشأة مستخدم وطنية حول مواضيع في طليعة العلوم النووية”. “لقد سمحت لي هذه التجربة بتطوير العلاقات والتعلم من العديد من موظفي المختبر والباحثين. كان المشروع ناجحًا بسبب تفانيهم في العلوم والمرافق والمعدات الرائدة عالميًا في المختبر.”