سر القوة الشديدة: كيف تدرس هذه الظاهرة باستخدام ذرات المرآة

النواة الذرية مكان غير عادي. ومن المعروف أنه يحتوي على البروتونات والنيوترونات. هذه الجسيمات، أو

النيوكليونات ليست مجرد كتلة من البلاستيك ملتصقة ببعضها البعضالكرات، كما هو موضح في كثير من الأحيان في الصور. إنهم في حركة مستمرة، وأحيانا يتصادمون، وينتشرون لفترة من الوقت، ثم يعودون مرة أخرى، مثل طرفي شريط مطاطي ممتد.

ألغاز التفاعل القوي الذييحدد حركة هذه الجسيمات ، ويجبر العلماء على البحث عن طرق جديدة للنظر داخل الذرة لفهم ما يحدث هناك. توصل الفيزيائيون إلى طريقة جديدة تستخدم ذرات المرآة ووجدوا أن البروتونات تصطدم مع زملائهم من البروتونات ، والنيوترونات مع النيوترونات ، في كثير من الأحيان أكثر من المتوقع.

ما هو التفاعل القوي؟

القوة النووية القوية هي واحدة منالتفاعلات الأساسية مع الجاذبية والكهرومغناطيسية والتفاعل الضعيف. من الأفضل دراستها على المستوى الكمي. يتم وصف التفاعل بين الكواركات (الجسيمات الأولية التي تتكون منها المادة) والغلوونات (ناقلات عديمة الكتلة للتفاعل القوي) بواسطة الديناميكا اللونية الكمومية.

ويعتقد العلماء أن كل كوارك هوحاملة لشحنة كمية محددة. يطلق عليه اللون، على الرغم من أن هذا مصطلح تقليدي لا علاقة له بالخصائص البصرية. بالإضافة إلى ذلك، فهو يحتوي على ناقل حالة محدد في مساحة ألوان ثلاثية الأبعاد معقدة.

التفاعل القوي هو عملية يتم فيهاشحنة تبادل الكواركات (اللون) التي يحملها الغلوون. على عكس الفوتون في التفاعل الكهرومغناطيسي ، وهو فريد من نوعه وليس له شحنة خاصة به ، فإن كل غلوون يحمل لونًا محددًا. حدد الباحثون ثمانية أنواع من هذه الجسيمات بشحنات مختلفة.

مخطط التفاعل القوي. الصورة: ماني إيرث، CC BY-SA 3.0، عبر ويكيميديا ​​​​كومنز

وكما يوحي الاسم، فإن القوة القوية هيالأقوى، لكنه يعمل فقط على مسافات قصيرة، مماثلة لحجم نواة الذرة وأقل. ومن السمات المدهشة لهذا التفاعل أنه كلما زادت المسافة بين الكواركات زادت، وكلما نقصت ضعفت.

هذا التأثير يسبب الحبس - قفل الكواركات داخل الهادرونات (جسيمات مركبة). لذلك ، لا يمكن للكوارك أن يوجد في الفضاء الحر ، ولكن فقط كجزء من جسيمات أكثر تعقيدًا.

يؤدي اختلال التفاعل بين كواركين تحت تأثير الطاقة إلى ولادة زوج جديد من الكواركات والكوارك المضاد. الرسوم المتحركة: Manishearth، CC BY-SA 3.0، via Wikimedia Commons

على الرغم من أن القوة القوية هي النظرية الأكثر تطورًا في فيزياء الجسيمات ، إلا أن تفاعلات الجسيمات المركبة مثل الهادرونات والنيوكليونات (البروتونات والنيوترونات) يصعب حسابها.

كيف يتم قياس تفاعل النيوكليونات؟

النموذج الشرطي للذرة (يسار) والهيليوم-4 (يمين). اللون الرمادي هو السحابة الإلكترونية، والصورة المكبرة تظهر النواة. الصورة اليمنى: المستخدم: Yzmo، CC BY-SA 3.0، عبر ويكيميديا ​​​​كومنز

غالبًا ما يتم تصوير النوى الذرية على أنها كثيفةتجمعت مجموعات من البروتونات والنيوترونات معًا ، ولكن في الواقع ، هذه النيوكليونات تدور باستمرار حول بعضها البعض. في نفس الوقت ، يصطدمون ويتشتتون مرة أخرى ، ولكن على "الشريط المرن" للتفاعل القوي يعودون مرة أخرى. في معظم النوى ، يقدر العلماء أن النوكليونات تقضي حوالي 20٪ من حياتها في حالات الإثارة عالية الزخم الناتجة عن هذه الاصطدامات.

التفسير الصحيح لمجموعة الماديةتعتمد التجارب ، مثل تلك التي أجريت في مصادم الهادرونات الكبير ومسرعات الجسيمات الأخرى ، على مدى فهم العلماء لمثل هذه الاصطدامات.

لدراستها، يعمل الفيزيائيونتحتوي النوى الذرية على حزم من الإلكترونات عالية الطاقة. إذا قمت بقياس الطاقة وفي أي اتجاه بدأ الإلكترون في التحرك عندما اصطدم ببروتون موجب الشحنة من نواة الذرة، فيمكنك تحديد مدى سرعة تحركه.

وبالإضافة إلى ذلك، هناك إلكترون مشحون للغايةزخم كافٍ لكسر التفاعل القوي وإخراج البروتون "المثار" من نواة الذرة. في عملية قطع الاتصال، في عدد من الحالات، يتم طرد "شريكه" من بعده - الجسيم الذي واجهه آخر مرة والذي يرتبط به تفاعل قوي. 

في التجارب الكلاسيكية ، يستخدم علماء الفيزياءحساب مثل هذه الأزواج "المقذوفة" من بروتونين ، أو بروتون ونيوترون ، لتحديد كيفية تفاعل النيوكليونات في ذرات النواة. أظهرت التجارب التي تم فيها تشعيع نوى ذرات مختلفة من كربون مع 12 نيوكليونا للرصاص مع 208 إلكترونات نفس التوزيع تقريبًا: ما يقرب من 95 ٪ من جميع التصادمات في أزواج بروتون ونيوترونات ، و 5 ٪ في التفاعل بين نيوكليونات متطابقة.

عيب هذه الطريقة هو أن هذاتعتبر الاصطدامات الدقيقة التي ينبعث فيها كلا الجسيمين من النواة نادرة جدًا ، ويمكن أن تؤثر العوامل الأخرى على الجسيمات في الذرات. لذلك ، تحتوي القياسات على القليل من البيانات ، والنتائج بها خطأ كبير.

ماذا أظهرت التجربة مع نوى المرآة؟

للتغلب على هذا القيد، توصل العلماء إلىأسلوب جديد. قرروا تشعيع النوى الذرية "المرآة". تحتوي ذرة الهليوم -3 (نظير مستقر للهيليوم) على نفس عدد النيوكليونات الموجودة في التريتيوم (نظير الهيدروجين). ولكن إذا كانت النواة في الحالة الأولى تتكون من بروتونين ونيوترون واحد، ففي الحالة الثانية يكون كل شيء عكس ذلك تمامًا.

وقد أدرك العلماء أنه إذا كان كل من هؤلاءالذرات، فإن الاختلاف في مجموعات النيوكليونات سيساعد على تحديد كيفية تفاعل البروتونات والنيوترونات في النوى الذرية مع بعضها البعض بدقة أكبر. في التجربة الجديدة، كان من الممكن جمع بيانات أكثر بكثير مما كانت عليه في التجارب السابقة، لأن التحليل لم يتطلب أحداث مصادفة ثلاثية نادرة، عندما خرج كلا الجسيمين المثارين من النواة؛ حتى واحد كان كافيا.

أفاد الباحثون أن الطريقة الجديدة قد زادتدقة القياس 10 مرات. ومع ذلك ، لم يتوقعوا أن تكون تفاعلات النيوكليونات في الذرات البسيطة مختلفة تمامًا عن التفاعلات المعقدة التي تم اختبارها في التجارب السابقة.

في ورقة نشرت مؤخرا في المجلةالطبيعة ، أفاد علماء الفيزياء أن نسبة التفاعلات بين الجسيمات المتطابقة (اصطدام البروتون والبروتون والنيوترون والنيوترون) تبين أنها أعلى بكثير: حوالي 20٪.

أردنا إجراء قياسات أكثر دقة بشكل ملحوظ ، لكننا لم نتوقع أن تكون مختلفة تمامًا.

جون أرينجتون ، باحث في مختبر بيركلي ومؤلف مشارك لورقة بحثية جديدة

ما التالي؟

يعتقد الباحثون أن الاختلاف فييمكن تفسير تفاعل الجسيمات بدقة من خلال حجم النوى. قال أرينجتون إن عمليات التشتت الرئيسية - التغيرات في اتجاه حركة الجسيمات عند الاصطدام بالآخرين - تحدث مع أزواج من البروتونات والنيوترونات. ولكن أثناء التشعيع ، هناك أسباب أخرى يمكن أن تسبب تشتتًا وتؤثر على جميع أنواع النيوكليونات.

على سبيل المثال، قد يعتمدون على المسافة بينهماالجسيمات التي تكون أكبر في النوى الخفيفة منها في النوى الثقيلة. ولتأكيد هذه الفرضية أو العثور على تفسير بديل، يخطط العلماء لإجراء تجارب مماثلة مع ذرات ضوئية أخرى.

فهم المبادئ المسؤولة عن التفاعلالجسيمات المركبة ليست فقط ذات أهمية نظرية ولكن أيضًا عملية. هذه التفاصيل مهمة لتحليل البيانات في التجارب عالية الطاقة على الكواركات والغلونات والجسيمات الأولية الأخرى مثل النيوترينوات. بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذه العمليات هي التي تفسر تفاعل النيوكليونات التي تشكل النجوم النيوترونية.

قراءة المزيد:

فاجأت الصور الأولى للجزء الموجود تحت الأرض من المريخ العلماء

مجرة تقع على بعد 12 مليار سنة ضوئية من الأرض "ملتفة" إلى حلقة أينشتاين

ينتج النبات على المريخ الأكسجين بمعدل متوسط ​​الشجرة