قصف الباحثون إلكترونات نوى الرصاص في منشأة مسرع توماس جيفرسون الوطنية.
مختبر وزارة الطاقة جيفرسون
بقلم أدريان تشو
قل ما تريده بشأن الرصاص ، فهو يحتوي على قشرة سميكة بشكل مدهش – من النيوترونات ، وهذا هو. في الواقع ، فإن طبقة النيوترونات الموجودة على السطح الخارجي لنواة الرصاص تبلغ ضعف سمكها مما يعتقده الفيزيائيون ، وفقًا لدراسة جديدة. قد يكون للنتيجة التي تبدو غامضة تداعيات خارج هذا العالم: يمكن للنجوم النيوترونية ، وهي المجالات فائقة الكثافة التي تُترك وراءها عندما تنفجر النجوم في انفجارات سوبر نوفا ، أن تكون أكثر صلابة وأكبر مما تتنبأ به النظرية عمومًا.
تقول آنا واتس ، عالمة الفيزياء الفلكية بجامعة أمستردام ، والتي تدرس النجوم النيوترونية: “إنه إنجاز تجريبي رائع”. “لقد تم الحديث عنه لسنوات وسنوات وسنوات ، ومن الرائع جدًا رؤيته يتم أخيرًا.”
تتكون نواة الذرة من البروتونات والنيوترونات الملتصقة ببعضها البعض بواسطة ما يسمى بالقوة النووية القوية. يفوق عدد النيوترونات عمومًا عدد البروتونات. لكن ليس كثيرًا ، لأن الاختلال الكبير في عدد البروتونات والنيوترونات يزيد الطاقة الداخلية للنواة ويمكن أن يجعلها غير مستقرة. تتنبأ النظرية عمومًا بأن نواة كبيرة تتكون من مزيج متساوٍ تقريبًا من البروتون والنيوترونات محاطة بجلد من النيوترونات النقية.
إنه سمك ذلك الجلد الذي قاسه علماء الفيزياء النووية بتجربة الرصاص (Pb) Radius Experiment (PREX) في منشأة التسريع الوطنية توماس جيفرسون. للقيام بذلك ، ارتدوا إلكترونات غزيرة من نوى الرصاص 208 ، وهو النظير الأكثر شيوعًا للعنصر ، والذي يحتوي على 82 بروتونًا و 126 نيوترونًا. تتفاعل الإلكترونات سالبة الشحنة مع البروتونات موجبة الشحنة بشكل أساسي من خلال القوة الكهرومغناطيسية ، التي تنحرف عن الإلكترونات. من خلال هذا التشتت الكهرومغناطيسي ، قام فيزيائيون آخرون سابقًا بقياس توزيع البروتونات في نواة الرصاص 208 ووجدوا أنها تمتد إلى نصف قطر 5.50 فيرمي – فيرمي يمثل واحدًا من المليون من 1 نانومتر.
لاستكشاف النيوترونات ، استغل علماء فيزياء PREX حقيقة أن الإلكترونات يمكن أن تتفاعل مع كل من البروتونات والنيوترونات من خلال القوة النووية الضعيفة. ضعيف مقارنة بالقوة الكهرومغناطيسية ، تعتمد قوته على ما إذا كان الإلكترون القادم يدور إلى اليمين – مثل كرة القدم التي ألقاها لاعب الوسط الأيمن – أو إلى اليسار. سمح هذا الاستسلام لباحثي PREX باكتشاف تأثير القوة الضعيفة.
أطلق الباحثون حزمة من الإلكترونات ، كلها تقريبًا تدور بنفس الطريقة ، على نوى الرصاص وقاسوا احتمال انحرافها بزاوية معينة. بعد ذلك ، قاموا بقلب الإلكترونات بحيث لفوا في الاتجاه المعاكس وبحثوا عن فرق واحد في مليون في تيار الإلكترونات المنحرفة. قد يشير هذا التباين الضئيل إلى تأثير القوة الضعيفة ، وسيكشف حجمها عن الانتشار المكاني للنيوترونات. قلب الفيزيائيون دوران الإلكترونات 240 مرة في الثانية ، مع الحرص الشديد على التأكد من أنهم لم يغيروا طاقة الحزمة أو شدتها أو مسارها.
يشير عدم التناسق الملحوظ إلى أن نواة الرصاص تحتوي على جلد نيوتروني بسمك 0.28 فيرمي ، أو يعطي أو يأخذ 0.07 ، حسبما أفاد باحثو PREX اليوم في رسائل المراجعة البدنية. هذا القياس يتماشى بشكل جيد مع قياس سابق أبلغ عنه فريق PREX في عام 2012 ، لكن البيانات الجديدة تقلل عدم اليقين بمقدار النصف. تشير الاكتشافات الأكثر دقة إلى أن الجلد النيوتروني للرصاص -208 يبلغ سمكه ضعف سمكه كما توقع المنظرون ، كما أشارت تجارب أخرى أقل مباشرة. يقول كريشنا كومار ، عالِم الفيزياء في جامعة ماساتشوستس ، أمهيرست ، والمتحدث المشارك باسم فريق PREX: “لقد أجبر ذلك الجميع على البدء في التدقيق في افتراضاتهم ، وهذا حلم للتجربة”.
تتضمن بعض هذه الافتراضات ، في النهاية ، طبيعة النجوم النيوترونية. على الرغم من أن النواة الذرية أقل كثافة بعدة مرات من النجم النيوتروني ، يمكن استخدام الأولى لعمل استنتاجات حول الأحدث ، كما يوضح Jorge Piekarewicz ، المنظر النووي في جامعة ولاية فلوريدا. على وجه الخصوص ، يشير الجلد النيوتروني السميك إلى أن النجوم النيوترونية أقل قابلية للانضغاط مما تتنبأ به العديد من النظريات ، كما يقول ، مما يجعلها أكبر. في الواقع ، في ورقة أخرى نشرت اليوم في رسائل المراجعة البدنية، Piekarewicz وزملاؤه يحسبون أن نتيجة PREX تشير إلى نصف قطر يتراوح بين 13.25 و 14.25 كيلومترًا لنجم نيوتروني يبلغ 1.4 مرة كتلة الشمس. تنتج معظم النظريات تقديرات أقرب إلى 10 كيلومترات.
الحجم الجامبو مقبول لكول ميلر ، عالم الفلك في جامعة ميريلاند ، كوليدج بارك ، الذي يعمل مع ناسا مستكشف التركيب الداخلي للنجم النيوتروني (NICER) ، وهو تلسكوب للأشعة السينية في محطة الفضاء الدولية. يستخدم باحثو NICER طيف الإشعاع الصادر عن نجم نيوتروني دوار لاستنتاج حجمه وحتى رسم خرائط غير منتظمة على سطحه. قامت الأداة بقياس الإشعاع الصادر عن نجمين نيوترونيين تبلغ كتلتهما 1.4 و 2.1 مرة كتلة الشمس ، ووجد أن نصف قطر كليهما يبلغ حوالي 13 كيلومترًا.
لكن ميللر يشير إلى أن البيانات الواردة من أجهزة الكشف عن الموجات الثقالية قد تفضل النجوم النيوترونية الأصغر والأكثر ليونة. في عام 2017 ، رصد الفيزيائيون باستخدام مرصد مقياس التداخل بالليزر (LIGO) في الولايات المتحدة وكاشف برج العذراء في إيطاليا نجمان نيوترونيان يدوران في بعضهما البعض والاندماج ، على الأرجح لتشكيل ثقب أسود. إذا كانت النجوم النيوترونية كبيرة وصلبة نسبيًا ، فقبل الاندماج كان من المفترض أن تبدأ في تشويه بعضها البعض من خلال جاذبيتها ، كما يقول ميللر. لكن باحثي LIGO و Virgo لم يروا أي دليل على مثل هذا التشوه في المد والجزر في إشاراتهم ، كما يقول.
ومع ذلك ، يقول Witold Nazarewicz ، المنظر النووي في جامعة ولاية ميتشيغان ، إنه من السابق لأوانه القلق بشأن الآثار الفيزيائية الفلكية لنتائج PREX. وأشار إلى أن الفريق يقيس فقط عدم تناسق تشتت الإلكترون ، والنظريات التي يستخدمها الباحثون لتحويله إلى سمك الجلد النيوتروني لها شكوكها الخاصة. يقول نازارفيتش إن القيمة التي يحصل عليها الفريق لعدم التماثل قد تتعارض بالفعل مع قياسات الخصائص الأخرى لنواة الرصاص. “أود أن أعرف ما إذا كان كل شيء يتوافق مع الرصاص 208.”
ومع ذلك ، فإن نتيجة PREX المفاجئة من المرجح أن تحفز الفيزيائيين النوويين وعلماء الفيزياء الفلكية على إعادة فحص الروابط النظرية بين النوى الذرية والنجوم النيوترونية ، كما يقول Piekarewicz. “إنها صدمة نفسية للمجتمع.”
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”