فيزياء نووية

لتحديد نصف قطر سحابة البروتونات في النواة الذرية، يستخدم الفيزيائيون طريقة تعتمد على اصطدام نواة قذيفة غير مستقرة بنواة هدف. خلال هذا التفاعل، قد تفقد النواة القذيفة بروتونًا واحدًا أو أكثر. كلما كانت النواة القذيفة أكبر، زاد احتمال اصطدامها بنواة الهدف وفقدانها لجسيمات.

مصادر الطاقة النظائرية المشعة التي تعمل باضمحلال ألفا للبلوتونيوم-238، ظلت لأكثر من ستين عامًا تغذي أجهزة تنظيم ضربات القلب والمركبات الفضائية. ومع ذلك، فإن المواد الخام لها شحيحة للغاية: الإنتاج العالمي للبلوتونيوم-238 يبلغ بضعة كيلوغرامات فقط في السنة، وهو ما يكفي بالكاد لتغطية احتياجات المهام الرئيسية.

نواة اليورانيوم-235 التي تلتقط نيوترونًا بطيئًا لا تنشطر فورًا إلى شظايا. أولاً، تبدو وكأنها عالقة في 'حفرتين' – حالتين بشكل مختلف. الأولى، الأساسية، هي قطرة ممدودة قليلاً. الثانية، الأيزومرية، هي قطرة مشدودة أكثر، لكنها لم تتمزق بعد. الانتقال من حفرة إلى أخرى يشبه التسلق فوق تل، ثم عبور حاجز خارجي، وبعده يبدأ التمزق غير العكوس. لأول مرة، تتبع العلماء حركة النواة في كل من هاتين الحفرتين على حدة.

الساعة الرملية التي تتحول فيها حبيبات الرمل إلى أخرى أثناء سقوطها — هكذا تبدو النوى الذرية غير المستقرة. إنها تعيش لحظة ثم تضمحل، قاذفة إلكترونًا (وهذا هو اضمحلال بيتا). في سبتمبر 2025، اجتمع المنظرون والتجريبيون في إطار مشروع FRIB Theory Alliance لمناقشة كيفية استخدام هذه الاضمحلالات لدراسة بنية المادة.

كلما كان غشاء الكهروضوئي الحديدي أرق، كان حقل إزالة الاستقطاب أقوى — هذا ما تفرضه الفيزياء التقليدية. تخيل قلم رصاص يتوازن على طرف إصبعك: كلما كان أقصر، كان من الأصعب إبقاؤه عمودياً. هكذا يميل الاستقطاب النانومتري إلى الاختفاء.

في أوركسترا الذرات، لكل آلة مقطوعتها الخاصة. لكن في بعض الأحيان، يبدأ عازفان في العزف بتناغم — فيتضاعف الصوت عدة مرات. في العالم الكمومي، يُسمى هذا "التناغم" رنين فشباخ (Feshbach resonance). وهو يسمح بالتحكم في التفاعلات الذرية بدقة متناهية. رنين فشباخ ليس تطابقًا في النغمات، بل تطابقًا في الطاقات.

النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات الأولية هو الإطار النظري الذي يصف جميع الجسيمات الأساسية المعروفة وتفاعلاتها. ومع ذلك، فهو لا يفسر طبيعة المادة المظلمة، التي تشكل حوالي ربع كتلة-طاقة الكون. للبحث عن مظاهرها، لا نحتاج دائمًا إلى مسرعات عملاقة.

قدرٌ يغلي بحساءٍ فوار، وتريد أن تعرف مدى سخونة القطرات الفردية داخله. لكن لا يمكن غمس مقياس الحرارة إلا من الحافة، حيث لا يكون الغليان عنيفًا. هكذا تقريبًا هي الحال مع الاندماج النووي بالليزر: نبضة ليزر قوية تضرب هدفًا، مولدةً سحابةً من البروتونات السريعة. لا يمكن التقاطها للقياس إلا من الخارج، عندما تخرج وقد فقدت جزءًا من طاقتها. وجد مؤلفو الدراسة الجديدة طريقة للنظر إلى داخل «القِدر».

إذا حاولت كسر البروتون وإخراج كوارك منه، فستفاجأ. القوى العادية، مثل القوة الكهربائية، تضعف عندما تبتعد الجسيمات عن بعضها. أما هنا فالعكس صحيح. كلما ابتعد الكوارك عن جيرانه، زادت قوة جذبه للعودة. وكأنه مربوط بحبل مطاطي: يمكن مدّه بسهولة في البداية، لكن الشد يصبح ثابتًا بعد ذلك، ولا يمكن قطعه إلا بإنتاج جسيمات جديدة.

تصطدم نواتا قصدير بسرعة تعادل تقريبًا ثلثي سرعة الضوء. للحظات، تنشأ سحابة كثيفة وساخنة تنطلق منها البروتونات في جميع الاتجاهات. إذا التقطنا أزواجًا من البروتونات وقسنا مدى تكرار انطلاقها في الاتجاه نفسه، يمكننا حساب حجم هذه السحابة. تُسمى هذه الطريقة "فيمتوسكوبيا" (femtoscopy) — وهي تعمل كمجهر للمقاييس النووية.

الساعة ليست مجرد عقارب. فكل نواة ذرية هي بندول إيقاعي طبيعي: تهتز بانتظام شبه مثالي. إذا رُفعت إحدى هذه البندولات الإيقاعية بضعة أمتار، فسيتسارع إيقاعها قليلاً — وهذا هو انحناء الزمن الذي تنبأ به أينشتاين.

تصادم بسرعة هائلة أدى إلى قذف نيوترون من نواة الهيليوم-8، ولفظت النواة أنفاسها الأخيرة لتكوين نواة الهيليوم-7، مثل رف مكتظ تسقط منه ثلاثة كتب دفعة واحدة. هذا «الصوت» العابر للاضمحلال تم تسجيله لأول مرة: تفرقت النيوترونات الثلاثة، تاركة وراءها نواة هيليوم-4 عادية.

نواة الذرة ليست دائمًا كروية. قد تستطيل مثل ثمرة البطيخ، أو تتسطح مثل قرع اليقطين. ويعتمد حجمها على شكلها — كما يعتمد حجم الفطيرة على شكل العجين. حسب العلماء شكل وحجم نوى نظائر البيركيليوم — وهو عنصر ثقيل يُنتج في المفاعلات النووية. اتضح أن النوى المسطّحة أكبر من النوى المستطيلة عند نفس درجة التشوه.

في نواة الذرة، ترتب البروتونات والنيوترونات في طبقات، مثل الجمهور في قاعة مكتظة. عندما تمتلئ طبقة ما، تصبح النواة مستقرة بشكل خاص — ويطلق الفيزيائيون على هذه "الصفوف الممتلئة" اسم الأرقام السحرية. أحد هذه الأرقام، وهو 32، ظل مختبئًا عن الأنظار لفترة طويلة: ففي النوى التي تحتوي على 32 نيوترونًا، يظهر تأثيره بشكل ضعيف، وفي بعض الجارات يبدو وكأنه غائب تمامًا.

نواة الذرة ليست كرة جامدة، بل مجموعة فوارة من البروتونات والنيوترونات. إنها تدور وتتصادم وتترتب في أنماط يراها الفيزيائيون كـ«أشرطة» — سلالم من مستويات الطاقة. في نوى النيوبيوم والتكنيشيوم وُجدت أربعة من هذه السلالم، لكن الأخير كان مصراً على عدم الاندراج في الحسابات. الأشرطة الثلاثة السفلية مفهومة منذ زمن طويل: الشريط الأساسي، والشريطان الجانبيان الأول والثاني — مثل ثلاثة طوابق في مبنى.

عادةً ما يكون لنواة الذرة شكل محدد — إما استطالة مثل البطيخة أو تفلطح مثل اليقطين. لكن السيليكون-30 يتصرف بشكل مختلف: يبدو وكأنه لا يستطيع أن يقرر كيف يكون. في التجربة، تم توجيه حزمة من نوى السيليكون-28 والسيليكون-30 نحو هدف من الزركونيوم-90 عند طاقات قريبة من حاجز كولوم (Coulomb barrier) — تلك الحدود التي تكاد فيها النوى تتلامس لكنها لا تندمج بعد.

بعد عشر ميكروثوانٍ من الانفجار العظيم، كان الكون يشبه قدرًا يغلي بحساء ساخن. فيه سبحت كواركات وغلوونات — الجسيمات التي ستتجمع لاحقًا لتكوين البروتونات والنيوترونات. برد الحساء، وفي لحظة ما التصقت الكواركات معًا في كتل — تلك البروتونات والنيوترونات التي يتكون منها كل ما نراه من مادة مرئية. هذا التحول يشبه تجمد الشمع المذاب في شمعة.

الجرس لا يطنّ بنغمة واحدة — بعد الضربة، تصدر عنه عدة نغمات توافقية في آن واحد. وبالمثل تقريبًا تهتز النواة الذرية: بعد التصادم، يمكن أن تتذبذب، وهذه التذبذبات تُرى من خلال أشعة غاما المنبعثة. لكن في نواة النيوبيوم-104، التي تحتوي على 41 بروتونًا و63 نيوترونًا، وُجدت نغمات توافقية أكثر مما كان متوقعًا.

النجم النيوتروني هو بقايا فائقة الكثافة لانفجار مستعر أعظم، تنبأ بوجوده فريتز زفيكي في ثلاثينيات القرن الماضي. لاحقاً، اكتشفتهم جوسلين بيل بورنيل على هيئة نجوم نابضة — مصادر دوارة لإشارات راديوية دورية صارمة.

النواة الذرية غير المستقرة تشبه قطرة ماء على مقلاة محمّاة: إنها توجد للحظة فقط، ويتغير شكلها باستمرار. وقد تعلّم الفيزيائيون وصف هذه القطرات — النوى التي تعيش أقل من جزء من مليار من الثانية وتتفكك فور ولادتها. الطرق الحسابية المعتادة تفشل مع هذه النوى: فهناك عدد كبير جدًا من الاحتمالات لحركة الجسيمات داخل النواة وتفاعلاتها. وقد فرض مؤلفو الدراسة نظامًا على هذه الفوضى.

في نواة الذرة، لا ترتبط النيوترونات جميعها بنفس القوة. إذا قمنا بنزعها واحدًا تلو الآخر، مثل أوراق الملفوف، فإن طاقة النزع تختلف في كل مرة. بالنسبة للنظائر التي تحتوي على 149 جسيمًا في النواة (اللانثانم، والسيريوم، والبراسيوديميوم)، تم قياس هذه الطاقة حديثًا — ورقم واحد لم يتطابق مع القياس السابق. تم العمل في مختبر أرجون الوطني، حيث يتم التقاط النظائر النادرة في جهاز يسمى مصيدة بينينغ.

نواة الكالسيوم-48 تشبه غرفة مغلقة تضم 48 نوكليونًا. في داخلها تجري تبديلات: يتحول النيوترون إلى بروتون، وتعيد الغرفة بناء نفسها ببطء إلى أخرى — تيتانيوم-48. تستغرق العملية زمنًا طويلًا لا يمكن تخيله: في المتوسط تريليون تريليون سنة، لكنها تحدث. لوصف هذا التحول، جمع الفيزيائيون الدالة الموجية للنواة من قطع.

عندما يدخل نيوترون إضافي إلى نواة الذرة، تبدأ النواة في التصرف مثل كوب مملوء حتى الحافة: لحظة أخرى وسينسكب المحتوى. أجرى الفيزيائيون في المركز الفرنسي GANIL مثل هذا "التمرير" لنيوترون من الديوتيرون (نواة الهيدروجين الثقيل) إلى نواة الأكسجين-19. ونتيجة لذلك، وُلدت نواة الأكسجين-20 — مع نيوترون إضافي واحد.

بروتون يصطدم بنواة الديوتيريوم — وهي حزمة صغيرة من بروتون ونيوترون. في السابق، كانت هذه الاصطدامات توصف بمعادلات يكون فيها الزمن متدفقًا بنفس المعدل للجميع، كما في الحياة العادية. لكن عندما تتسارع الجسيمات إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء، يتباطأ الزمن بالنسبة لها وتتقلص الأطوال. الأمر أشبه بعدّائين في ملعب يقيسان المسافة بمساطر مختلفة.

عالياً فوق الأرض يحلّق قمر صناعي، وبداخله جهاز بحجم خزانة صغيرة. يلتقط جسيمات ظلت تندفع عبر المجرة لمليارات السنين حتى اصطدمت أخيرًا بالكاشف. تُسمى هذه الجسيمات بالأشعة الكونية، وهي تحمل إلينا أخبارًا عن انفجارات نجوم بعيدة. جهاز NUCLEON على القمر الصناعي «ريسورس-بي» ظل ستة أشهر يجمع هذه «الرسائل من الفضاء».