حاول العلماء حل لغز نواة الهليوم – وانتهى بهم الأمر أكثر من أي وقت مضى
أحد أبسط عناصر الطبيعة هو منح العلماء صداعًا كبيرًا بعد أن أظهر بحث جديد أن البروتونات والنيوترونات في ذرات الهيليوم لا تتصرف كما تقترح النظرية. يمكن أن يشير عدم التطابق بين التنبؤات النظرية لكيفية تصرف هذه الجسيمات وما تفعله بالفعل إلى فيزياء جديدة تتجاوز النموذج القياسي ، وهو النموذج السائد الذي يصف حديقة حيوانات الجسيمات دون الذرية.
في بحث نشر في نيسان في المجلة رسائل المراجعة البدنيةقام الفيزيائيون بضرب حاوية من ذرات الهيليوم بالإلكترونات لضرب نوى الهيليوم في حالة الإثارة ، مما تسبب في انتفاخ النواة مؤقتًا ، مثل استنشاق الصدر. وجد الفريق أن استجابة البروتونات والنيوترونات في النواة لحزمة الإلكترون تباعدت بشكل كبير عما تتنبأ به النظرية – مما يؤكد الاستنتاجات المستخلصة من التجارب التي أجريت منذ عقود. يثبت البحث الجديد أن عدم التطابق هذا حقيقي ، وليس نتيجة عدم اليقين التجريبي. بدلاً من ذلك ، يبدو أن العلماء ليس لديهم فهم قوي بما يكفي لفيزياء الطاقة المنخفضة التي تحكم التفاعلات بين الجسيمات في النواة.
تتكون نواة الهليوم من بروتونين ونيوترونين. تُستخدم المعادلات التي تصف سلوك نواة الهليوم لجميع أنواع المواد النووية والنيوترونية ، لذا فإن حل التناقض يمكن أن يساعدنا في فهم الظواهر الغريبة الأخرى ، مثل اندماج النجوم النيوترونية.
أصبح التناقض بين النظرية والتجربة واضحًا لأول مرة في عام 2013 بعد حسابات نواة الهليوم بقيادة سونيا باكا، ثم في معجل الجسيمات TRIUMF الوطني الكندي والآن أستاذًا في جامعة يوهانس جوتنبرج ماينز ، ومؤلف مشارك للدراسة الجديدة. استخدم Bacca وزملاؤه تقنيات مطورة لحساب كيف تتصرف البروتونات والنيوترونات في نواة الهيليوم عندما تثيرها حزمة من الإلكترونات ، مما أدى إلى تباعد كبير عن البيانات التجريبية. ومع ذلك ، فإن البيانات التجريبية المستخدمة للمقارنة يعود تاريخه إلى الثمانينيات وتم تسجيله بشكوك كبيرة في القياسات.
أشار المؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة سيمون كيجل ، وهو فيزيائي نووي درس نواة الهليوم من أجل أطروحة الدكتوراه في جامعة يوهانس جوتنبرج ماينز بألمانيا ، إلى أن المنشآت الحالية في جامعته يمكنها إجراء هذه القياسات بدقة عالية جدًا. قال لـ Live Science: “لقد اعتقدنا أنه إذا كان بإمكانك القيام بذلك بشكل أفضل قليلاً ، فعلينا على الأقل أن نحاول”.
أفضل لكن أسوأ
يُطلق على التفاعل الأساسي الذي يربط الجسيمات في النواة معًا اسم قوة شديدة – لكن وفرة التأثيرات التي تنجم عن الفروق الدقيقة في هذه التفاعلات تعقد حسابات كيفية تفاعل هذه الجسيمات. قام المنظرون بتبسيط المشكلة باستخدام “نظرية المجال الفعال” (EFT) ، والتي تقارب القوى العديدة المؤثرة على الجسيمات ، تمامًا مثل ملف jpeg الذي يقارب جميع البيانات في ملف صورة غير مضغوط. توفر النسخة المطورة من التحويل الإلكتروني تقريبًا أفضل للتأثيرات التي تعقد نماذج التفاعلات القوية في النواة ، ولكن عندما قام الباحثون بحساب الأرقام ، وجدوا أن التنبؤات النظرية انحرفت بعيدًا عن الظواهر المرصودة أكثر من التقريبات الأكثر فجاجة.
للتحقق من مقدار التناقض الذي يمكن أن يُعزى إلى عدم اليقين التجريبي ، استخدم كيجيل وفريق ماينز منشأة مسرع الإلكترون MAMI في الجامعة لإطلاق شعاع من الإلكترونات في حاوية من ذرات الهيليوم مع الإلكترونات. تضرب الإلكترونات نوى الهليوم في حالة مثارة توصف بأنها أحادي القطب متساوي الأضلاع. قال باكا لـ Live Science عبر البريد الإلكتروني: “تخيل أن النواة مثل كرة تغير نصف قطرها ، وتتورم وتتقلص ، وتحافظ على التناظر الكروي”.
أدت معلمتان إلى تحسين دقة القياسات – كثافة ذرات الهليوم في الحاوية وشدة شعاع الإلكترونات منخفضة الطاقة. قال كيجيل إنه يمكن طلب كلاهما إلى قيم عالية جدًا في منشأة جامعة ماينز.
قبل أن ينتهوا من تحليل البيانات ، كان من الواضح أن مجموعة البيانات الجديدة هذه لن تحل المشكلة. لا يزال العلماء لا يعرفون مصدر التناقض بين النظرية والتجربة. لكن باكا أشار إلى أن “الأجزاء المفقودة أو غير المُعايرة جيدًا من التفاعلات” قد تكون السبب.
بمجرد استخدام مسرع التوصيل فائق التوصيل الجديد لاستعادة الطاقة من ماينز (ميسا) عبر الإنترنت في عام 2024 ، سينتج حزمًا إلكترونية بأوامر من الشدة الأكبر من المسرع الحالي ، على الرغم من أنه لا يزال عند الطاقات المنخفضة المطلوبة لهذا النوع من التجارب. يتناقض هذا مع مسرعات مثل مصادم الهادرونات الكبير ، الذي يتنافس للحصول على حزم ذات طاقة أعلى لاكتشاف جسيمات جديدة غريبة في الطرف الآخر من الطيف النشط. ومع ذلك ، فإن شدة MESA العالية ستسمح بقياسات أعلى دقة ، وعرض أكثر تفصيلاً للحدود المنخفضة الطاقة للنموذج القياسي.
