فيزياء نووية: أربعة نيوترونات تجتمع للحظات
 

النواة رباعية النيوترونات هي حالة افتراضية في الفيزياء النووية. ومن شأن الأدلة التي تشير إلى وجود عابر لهذه الحالة أن تؤثر على الأبحاث التي تتم على النجوم النيوترونية.


كارلوس إيه. بيرتولاني
فلاديمير زيليفينسكي

أنباء وآراء

فيزياء نووية: أربعة نيوترونات تجتمع للحظات
النواة رباعية النيوترونات هي حالة افتراضية في الفيزياء النووية. ومن شأن الأدلة التي تشير إلى وجود عابر لهذه الحالة أن تؤثر على الأبحاث التي تتم على النجوم النيوترونية.

كارلوس إيه. بيرتولاني
فلاديمير زيليفينسكي


تتكون النوى الذرية من بروتونات ونيوترونات، تُعرف بشكل عام بالنوكليونات، وهي ليست جسيمات أولية حقيقية، إذ إنها تحوي كواركات وجلونات تتفاعل مع بعضها البعض، من خلال ما يُعرف بالقوة الشديدة (واحدة من قوى الطبيعة الأربع الأساسية). وللتفاعل القوي خصائص محيرة، أكثرها غرابة هو كون الكواركات والجلونات غير حرة أبدًا، فهي مقيدة دائما داخل النوكليونات. ولا يزال العلماء النظريون يجاهدون لإيجاد حلول محددة للحالات المختلفة من الأنظمة عالية التعقيد، المكونة من الكواركات والجلونات، وأيضًا لفَهْم القوة التي تربط بين اثنين من النوكليونات، والتي تمتد إلى ما هو أبعد من منطقة التقيد. وإحدى الحالات التي طال البحث عنها هي النظام رباعي النيوترونات، المعروف بالنوى رباعية النيوترونات، الذي ليس له شحنة كهربائية. ومن ثم، يقدم كيساموري وزملاؤه1 في بحثهم المنشور في دورية "فيزيكال ريفيو ليترز" Physical Review Letters الدليل على وجود مثل تلك الحالة.

في هذه التجربة، تم استخدام جسيمات ألفا المتماسكة بقوة (التي تتألف من بروتونين ونيوترونين، وبالتالي فهي مطابقة لنوى هيليوم-4) وسط سائل من هيليوم-4 (4He)، واعتُبرت هدفًا لحزمة ساقطة من هيليوم-8 (8He، وهو "النواة المقذوفة"). يحتوي هيليوم-8 على بروتونين اثنين، وستة نيوترونات، ويتم إنتاجه في تفاعلات التفتيت النووي، التي يضرب فيها أكسجين-18 هدفًا من البيريليوم. إن التفاعل بين 8He و4He اختيار مناسب لتوليد النوى رباعية النيوترونات، إذ إن النيوترونات الأربعة الإضافية في 8He ضعيفة الترابط فيما بينها، ومن ثم يمكن تحويلها بسهولة أثناء التفاعل مع 4He.

وقد لاحظ الباحثون أن مقذوف 8He يتبادل وحدتين من الشحنة مع الهدف 4He، ومن ثم يتحول إلى نواة بيريليوم-8 (8Be، وهو يتكون من أربعة بروتونات، وأربعة نيوترونات)، تم قياس طاقتها بدقة عالية. وبسبب حفظ الشحنة، يتم استبدال بروتونين في نواة الهدف 4He بنيوترونات، وهو ما يولد نظامًا رباعي النيوترونات في حالة شبه مقيدة، لا يدوم سوى بضع من 10-22 من الثانية، وبعد ذلك يتفكك إلى نيوترونات حرة. وتظهر هذه الحالة قصيرة المدى على هيئة نتوء في طيف الطاقة الخاص بنواة 8Be، وتصدر تلك الطاقة من عملية التفاعل.

تتطابق القوى النووية بشكل جوهري بين كل النوكليونات، سواء أكانت بروتونات، أم نيوترونات. ولذا.. قد يبدو غريبًا ألّا تكون النواة رباعية النيوترونات مترابطة، بينما جسيمات ألفا ذات البروتونين والنيوترونين مترابطة بقوة؛ على الرغم من التنافر الكهربائي الإضافي الموجود بين البروتونات. ويستند تفسير ذلك إلى مبدأ استبعاد باولي، الذي يحظر أن يشغل نوكليونان متطابقان حالة كمية واحدة. وفي جسيمات ألفا، يمكن للجسيمات الأربعة أن تكون في الحالة نفسها، إذ إن الحركة المغزلية للبروتونين متعاكسة، وكذلك النيوترونين؛ حتى يتسنى للنوكليونات الأربعة أن تكون مختلفة، لكن بالنسبة إلى أربعة نيوترونات، قد يكون زوج واحد فقط في حالة الطاقة الأدنى؛ مما يدفع الزوج الثاني إلى حالة طاقة أعلى؛ وهو ما يجعل النواة رباعية النيوترونات غير مستقرة.

من خلال تطبيق مبدأ حفظ الطاقة في التفاعل النووي موضع البحث، استنتج كيساموري وزملاؤه أن نظام النواة رباعية النيوترونات به طاقة إثارة داخلية، مقدارها يقترب من 0.8 مليون إلكترون فولت (MeV)؛ وهي تساوي الفَرْق بين كتلة النواة رباعية النيوترونات، وكتلة النيوترونات الأربعة، إذا كانت نيوترونات حرة. وإذا كان مقدار هذا الفارق أقل من الصفر، إذًا فالنظام مقيد. أما في حالة النواة رباعية النيوترونات محل التجربة، فإن الفارق أعلى من الصفر، مما يجعل من هذا النظام نظامًا غير مقيد، يظل مرتبطًا لفترة قصيرة، ثم يتفكك إلى نيوترونات حرة. وبالرغم من أن الخطأ الإحصائي (±0.65 مليون إلكترون فولت) والخطأ المنهجي (±1.25 مليون إلكترون فولت) في التجربة كبيرين، إلا أن حالة وجود النواة رباعية النيوترونات حالة ساحرة وأخّاذة. يبلغ عرض النتوء الموجود في طيف طاقة 8Be حوالي 2.6 مليون إلكترون فولت، ويوحي عدم التيقن هذا بأن تلك الحالة سوف تتحلل في نهاية المطاف لتتحول إلى حالة كمية أخرى.

استمرت عملية البحث عن النواة رباعية النيوترونات لأكثر من نصف قرن، وأعلن باحثون تجريبيون اكتشاف هذه الحالة من قبل. ففي عام 2002، ادَّعت مجموعة بحثية تعاونية إيجاد نواة مقيدة رباعية النيوترونات2 في تجربة تقوم على الكشف عن مجموعات نيوترونية تشكَّلت بفعل تفتيت مقذوفات بيريليوم-14، لكن النتائج ما زالت غير مؤكدة، وسرعان ما قام الباحثون النظريون بإظهار أنه بناء على المعرفة الأفضل لتفاعلات نوكليويين مع بعضهما، إلى جانب نقاط جدل أخرى3,4، فإن وجود نواة مقيدة رباعية النيوترونات كان شبه مستحيل.

ومع ذلك.. لم يستطع العلماء النظريون استبعاد وجود نواة رباعية النيوترونات كحالة "رنانة" قصيرة الأجل، بناءً على هيكل3,4 مكون من اثنين من النيوترونات المزدوجة. تتكون حالة النيوترون المزدوج من نيوترونين، وهي حالة غير مستقرة. وتُعرف تلك الحالة بأنها حالة افتراضية.. فإذا ما تم تخفيض طاقتها بمقدار 66 كيلو إلكترون فولت؛ عندها سيصبح نظام النيوترون المزدوج مقيدًا. وقد تمت قبل ذلك بعقود الإشارة إلى5 أن النيوترونات المزدوجة يمكن أن تصبح مقيدة في وجود نوكليونات إضافية. وهذه الآلية مسؤولة عن خصائص بعض النوى المقيدة، التي بها فائض من النيوترونات، مثل ليثيوم-11، الذي يشكِّل فيه زوج من النيوترونات الخارجية هالة نائية حول مركز ليثيوم-9.

ولا يمكن للنواة رباعية النيوترونات أن تشكِّل نواة ذَرِّيَّة، إذ إنها متعادلة الشحنة، وبالتالي لا يمكنها أن تحمل إلكترونات، لكن هناك علاقة حميمة بين بنية النواة رباعية النيوترونات، والدراسات النظرية للنجوم النيوترونية (الشكل 1)، التي يتم ضغط النيوترونات فيها، حتى تصل كثافتها إلى أكثر من 1014 ضعف كثافة الماء6. وتتم حمايتها من أن تنفجر عن طريق بذل ضغط خارجي بواسطة التفاعل بين نوكليونين، وغيره من الآثار الميكانيكية الكمية.


[عزيزى الزائر لايمكنك مشاهده الروابط الا بعد التسجيلللتسجيل اضغط هنا]


أ، للنيوترونات نصف قطر يبلغ نحو فيمتو متر واحد (أي 10-15 مترًا)، ويمكن أن تكون إمّا مقيدة بنواة، أو حرة (على الرغم من أن النيوترونات غير المقيدة تضمحل خلال حوالي 15 دقيقة). أما النيوترونات المزدوجة، التي تتألف من اثنين من النيوترونات غير المقيدة، فحجمها أكبر بعشرة أضعاف، وهي غير مستقرة. ويحوي بَحْث كيساموري وزملائه1 دليلًا على وجود نواة رباعية النيوترونات، تمكث في حالة رنانة لمدة حوالي 10-22 ثانية قبل تحللها إلى نيوترونات حرة. ب، إذا تم تأكيد وجود حالة النواة رباعية النيوترونات؛ فسوف يساعد ذلك على إيضاح التفاعلات النووية في الأنظمة قليلة النوكليونات، وربما حتى في النجوم النيوترونية.




وبذلك.. يأمل علماء الفيزياء النووية أن يتمكنوا من الوصول إلى فَهْم كامل للكيفية التي تولد بها الكواركات والجلونات داخل النوكليونات القوى التي تربط بين نوكليونين، وكيف تتطور التكوينات ذات الجسيمات المتعددة؛ لتشكل هياكل معقدة، مثل نوى اليورانيوم، والنجوم النيوترونية. إنها مهمة ضخمة، بها أجزاء مفهومة بشكل جيد، لكن هناك أيضًا عدة حلقات مفقودة. ولذلك.. إذا تم تأكيد صحة تقرير كيساموري وزملائه حول حالة النواة رباعية النيوترونات، ولو حتى كحالة رنانة قصيرة الأجل؛ فإنه سيضيف بِنْيَة أخرى للرسم البياني النووي، الذي سيساعد على تطوير فَهْمنا للتفاعل النووي.


المصدر : مجله نيتشر العربية