جزیره هسته‌ای جدید که در آن اعداد جادویی از بین می‌روند

توسط مؤسسهٔ علم پایه

ویرایش شده توسط رابرت ایگان

برای چند دهه، فیزیک‌دانان هسته‌ای بر این باور بودند که «جزایر وارونگی» — مناطقی که قوانین معمول ساختار هسته‌ای به‌طور ناگهان به‌هم می‌ریزند — عمدتاً در ایزوتوپ‌های غنی از نوترون یافت می‌شوند. در این جیب‌های نامعمول جدول هسته‌ای، اعداد جادویی ناپدید می‌شوند، شکل‌های کروی فروپاشی می‌کنند و هسته‌ها به‌طور غیرمنتظره به اشیاء به‌شدت تغییر شکل‌پذیر تبدیل می‌شوند. تا کنون، تمام این جزایر شامل هسته‌های عجیب و غریبی مانند بریلیم‑۱۲ (N = 8)، منیزیم‑۳۲ (N = 20) و کرومیوم‑۶۴ (N = 40) بوده‌اند که همگی فاصله زیادی از هسته‌های پایدار طبیعی دارند.

اما اکنون، مطالعه‌ای که به‌تازگی توسط یک همکاری بین‌المللی از مرکز مطالعات هسته‌ای عجیب، مؤسسهٔ علم پایه (IBS)، دانشگاه پادوا، دانشگاه ایالتی میشیگان، دانشگاه استراسبورگ و سایر مؤسسات انجام شد، چیزی را کشف کرد که پیش از این هیچ‌کس ندیده بود: جزیره‌ای از وارونگی که در یکی از متقارن‌ترین نواحی، جایی که تعداد پروتون‌ها برابر تعداد نوترون‌هاست، پنهان شده بود. این مقاله در ژورنال Nature Communications منتشر شده است.

بررسی ایزوتوپ‌های مولیبدن

این همکاری بین‌المللی این پدیده را در دو ایزوتوپ مولیبدن بررسی کرد: مولیبدن‑۸۴ (Z = N = 42) و مولیبدن‑۸۶ (Z = 42، N = 44). این هسته‌ها بر روی خط N = Z قرار دارند — ناحیه‌ای مهم ولی به‌شدت دشوار برای مطالعه، زیرا تولید چنین ایزوتوپ‌هایی در آزمایشگاه مشکل است. با استفاده از پرتوهای ایزوتوپ نادر در دانشگاه ایالتی میشیگان و آشکارسازهای پیشرفته گاما رِی، پژوهشگران طول عمر حالت‌های تحریک‌شده این هسته‌ها را با دقت پیکوسثانیه‌ای اندازه‌گیری کردند.

برای تولید پرتوهای مورد نیاز، تیم هسته‌های Mo‑86 با سرعت بالا را از طریق برخورد یک هدف بوریل با یون‌های شتاب‌دار Mo‑92 تولید کرد. جداساز A1900 تکه‌های مطلوب را از میان تعداد زیادی که در برخورد تولید شدند، جدا کرد. سپس پرتو Mo‑86 به هدف دوم برخورد کرد که در آن برخی هسته‌ها به حالت تحریک‌دار درآمدند یا با حذف دو نوترون به Mo‑84 تبدیل شدند. وقتی این هسته‌ها به حالت پایه خود بازگشتند، پرتوهای گاما منتشر کردند که جزئیات ساختار داخلی آن‌ها را نشان داد.

این پرتوهای گاما با استفاده از GRETINA — آرایه‌ای از آشکارسازهای جرمنی با وضوح بالا که قادر به رهگیری تعاملات تک‌تک گاما است — و TRIPLEX، دستگاهی که امکان تعیین زمان‌های عمر بسیار کوتاه (در مقیاس تریلیونیم ثانیه) را می‌دهد، اندازه‌گیری شدند. مقایسه با شبیه‌سازی‌های مونت‌کارلو GEANT4 به تیم اجازه داد تا طول عمر اولین حالت‌های تحریک‌شده را استخراج کرده و درجه تغییر شکل هسته‌ای را استنباط کنند.

نمایش تفاوت‌های چشمگیر در ساختار هسته‌ای

اندازهای به‌دست آمده نشان دادند که Mo‑84 رفتار بسیار متفاوتی نسبت به Mo‑86 دارد، اگرچه این دو ایزوتوپ تنها دو نوترون اختلاف دارند. Mo‑84 درجه‌ای استثنایی از حرکت تجمیعی نشان داد — نشانه‌ای که تعداد زیادی پروتون و نوترون به‌صورت همزمان از یک شیار پوسته‌ای بزرگ عبور می‌کنند. فیزیک‌دانان هسته‌ای این فرآیند را «تحریک ذره‑حفره» می‌نامند: برخی نوکلئون‌ها به اوربیتال‌های انرژی بالاتر (ذره‌ها) می‌پرند و در اوربیتال‌های پایین‌تر (حفره‌ها) خلأ ایجاد می‌کنند. هرچه تعداد نوکلئون‌های مشارکت‌کننده در این پرش‌های هماهنگ بیشتر باشد، هسته به‌مراتب بیشتر تغییر شکل می‌یابد.

محاسبات پیشرفته‌ای که تیم انجام داد، این تضاد چشمگیر را توضیح می‌دهد. در Mo‑84، هم پروتون‌ها و هم نوترون‌ها تحرکات ذره‑حفره بسیار بزرگ و همزمانی را تجربه می‌کنند — در واقع یک بازآیی ۸‑ذره‑۸‑حفره — که منجر به شکل به‌شدت تغییر شکل‌پذیر می‌شود.

این رفتار ناشی از تعامل ویژه‌ای بین تقارن پروتون‑نوترون و باریک شدن شیار پوسته‌ای در N = Z = 40 است که باعث می‌شود این تحرکات هماهنگ به‌طور غیرمعمولی آسان شوند. نکته مهم این است که مدل‌ها نشان می‌دهند این تغییر شکل بدون دربرگیری نیروهای سه‌نوکلئونی — تعاملی که در آن سه نوکلئون به‌صورت همزمان عمل می‌کنند — قابل بازتولید نیست. مدل‌هایی که تنها شامل تعامل دو‑نوکلئونی سنتی هستند، ساختار دیده‌شده را تولید نمی‌کنند.

در مقابل، Mo‑86 تحرکات ۴p‑۴h نسبتاً متوسطی نشان می‌دهد و بنابراین به‌مراتب کمتر تغییر شکل می‌یابد. این نتایج ترکیبی نشان می‌دهند که Mo‑84 درون «جزیره وارونگی» تازه شناسایی‌شده قرار دارد، در حالی که Mo‑86 در خارج از آن است.

«جزیره وارونگی هم‌تقارن ایزوسپین» تازه‌ای که از طریق این مطالعه بر روی هسته N = Z Mo‑84 کشف شد، نخستین موردی است که جزیره‌ای از وارونگی در هسته‌های هم‌تنظیم پروتون‑نوترون ظاهر می‌شود. این کشف فرضیات دیرینه دربارهٔ مکان رخداد وارونگی‌های ساختاری را به چالش می‌کشد و پنجره‌ای نوین به سمت نیروهای بنیادی که ماده را به‌هم می‌پیوندند، باز می‌کند.

اطلاعات بیشتر: J. Ha et al, انتقال ساختاری ناگهانی در ایزوتوپ‌های عجیب مولیبدن، جزیره وارونگی هم‌تقارن ایزوسپین را آشکار می‌کند، Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65621-2

اطلاعات مجله: Nature Communications