معدل التفاعل

عندما ينفجر نجم ضخم كمستعر أعظم، تتشكل نوى ثقيلة في أعماقه خلال ثوانٍ معدودة. ومن بينها التيتانيوم-44، وهو نظير مشع يبعث أشعة غاما لسنوات بعد ذلك. تعتمد كمية التيتانيوم-44 المتبقية على تفاعل نووي واحد: يلتقط البروتون نواة الفاناديوم-45، محولاً إياها إلى كروم-46. يشبه هذا بابًا ضيقًا يهرب من خلاله جزء من التيتانيوم من سلسلة التخليق.

في عام 1976، تنبأ الفيزيائيون بأن الإلكترون قد لا يمر بجوار النواة فحسب، بل يصطدم بها وينقل إليها طاقة تجعلها "ترتجف". سُمي هذا التأثير NEEC — الإثارة النووية بالتقاط الإلكترون (Nuclear Excitation by Electron Capture). لكن على مدى خمسين عامًا تقريبًا، لم يتمكنوا من رصده في التجارب. الإشارة ضعيفة جدًا، وتغرقها إلكترونات أخرى تتشتت على النواة دون التقاط. جاء الحل من جهة غير متوقعة.

تخيّل ممرًا جبليًا يربط بين واديين. في أحد الواديين، يكون البروتين في حالة مطوية ووظيفية، وفي الآخر يكون في حالة غير مطوية وفوضوية. للانتقال من شكل إلى آخر، يجب على الجزيء أن يجتاز نقطة السرج — أعلى نقطة في المشهد الطاقي. في علم البروتينات، تُسمى هذه النقطة الحرجة بالحالة الانتقالية، والإحداثي الذي يصف تقدم التفاعل والمسافة إلى تلك السرج يُسمى المُلتزم (committor).

وميض ضوئي يستغرق جزءاً من ألف من الثانية لا يسخّن الجسم — على عكس الوميض العادي الذي يستمر لثانية كاملة. اكتُشف تأثير مشابه في العلاج الإشعاعي: عندما تُعطى الجرعة الإشعاعية خلال ميلي ثانية بدلاً من دقائق، تتضرر الأنسجة السليمة بدرجة أقل. وقد سُمي هذا تأثير فلاش (FLASH).

عندما يقيس علماء الأحياء نشاط آلاف الجينات الجينات في وقت واحد، يكشف التحليل التقليدي عادةً عن ارتباطات فقط — أزواج من الجينات يتغير تعبيرها بشكل متزامن، مثل مكوّنين في الحساء يظهران معًا غالبًا.

اصطدام نجمين نيوترونيين هو بمثابة معمل كوني تُصاغ فيه أثقل عناصر الجدول الدوري خلال ثوانٍ. في عام 2017، التقطت الكواشف موجات ثقالية من هذا الاندماج، ورصدت التلسكوبات وميضًا — كيلونوفا (kilonova). يتغذى توهجها على اضمحلال الأنوية غير المستقرة التي وُلدت في عملية الالتقاط السريع للنيوترونات (r-process). لكن لهذا المعمل الكوني مساعدين صامتين لم يُنتبه إليهم من قبل.

عندما يدور نجمان فائقا الكثافة في رقصة متقاربة، يرتجف الفضاء من حولهما. هذا الارتجاف — الموجات الثقالية — تلتقطه كاشفات عملاقة على الأرض. لكن فك شفرة الإشارة ليس سهلاً: علينا أن نفهم ما الذي نواجهه بالضبط — زوجاً من الثقوب السوداء أم نجمين نيوترونيين. للأخيرين بصمة خاصة: فهما يستجيبان لقوى المد والجزر من رفيقهما، كالجرس الذي يرن عند الضربة.

في أعماق الأرض، داخل طبقات الجرانيت، تلتقط الكواشف ضيوفًا نادرين قادمين من الفضاء — الميونات. تولد هذه الجسيمات عاليًا في الغلاف الجوي عندما تصطدم الأشعة الكونية بأنوية الهواء. تساعدها سرعة هائلة قريبة من سرعة الضوء على الوصول إلى المختبر تحت الأرض.

بندول لا يكاد أي شيء أن يزيحه عن مساره، لا يخاف لا من الاهتزاز ولا من الحرارة ولا من المجالات المغناطيسية — لأنه مخبأ في صميم الذرة. هذا البندول بالتحديد هو ما استخدمه الفيزيائيون عندما شغّلوا لأول مرة ساعة نووية. في السابق، كانت أفضل الساعات — البصرية — تعمل على انتقالات الإلكترونات. لكن الإلكترونات تعيش على أطراف الذرة، مثل فراشات في مهب الريح: أي تأثير خارجي يزعجها.

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».

الأرجوحة لا تتأرجح إلا إذا دفعتَها في اللحظة المناسبة. وما أن تخرج عن الإيقاع حتى تذهب جهودك سدى. وهكذا تقريبًا يتفاعل الضوء مع النواة الذرية: عادةً ما يُمتص الفوتون فقط عندما تتطابق طاقته تمامًا مع الفرق بين مستويين نوويين. لكن ماذا لو لم تكن طاقة الفوتون مناسبة؟ وجد مؤلفو الدراسة الجديدة طريقًا ملتويًا. لقد درسوا ذرة البلاتين-193.

كانت الألواح الفوتوغرافية القديمة من مسح السماء في خمسينيات القرن العشرين تحمل لغزًا بوليسيًا: كانت الومضات الغامضة تظهر عليها بين الحين والآخر. الدليل الأول: تزامنت الومضات مع أيام التجارب النووية الجوية. الدليل الثاني: المجال المغناطيسي للأرض: فكلما اشتدت العاصفة، قلت البقع. وكأن المشتبه به كان لا يخرج إلا في الطقس الهادئ.

داخل الشمس، تجري كل ثانية تحولات نووية غير مرئية. أحدها هو ولادة البورون-8: نواة البريليوم-7 تلتقط بروتونًا عابرًا وتصبح للحظة عنصرًا جديدًا. هذه الخطوة تطلق سلسلة تنتهي بانبعاث نيوترينو — جسيم قادر على اختراق الأرض بالكامل. سابقًا، كانت سرعة هذا التفاعل تُقدَّر من بيانات المسرعات، حيث الظروف بعيدة عن الظروف الشمسية.

المفاعل النووي التقليدي يشبه المرجل حيث يحترق الوقود بالتساوي في كامل حجمه. هنا الصورة مختلفة: على طول قضيب أسطواني من كربيد اليورانيوم تزحف ببطء موجة انشطار — منطقة ضيقة تنشطر فيها الذرات وتطلق حرارة. أمام الموجة، الوقود لم يمس بعد؛ خلفها، استُنفد بالفعل. هكذا ينتقل النار على فتيل الشمعة، تاركًا الشمع خلفه. الحيلة الأساسية تكمن في طيف النيوترونات.

عندما يصطدم نواتان ذريتان، تعتمد النتيجة على طاقتهما وزاوية تبعثر الشظايا. عادةً ما تتطلب مثل هذه الحسابات قوى حاسوبية هائلة، وتظل الدقة محدودة بالتقريبات. يقترح المؤلفون مسارًا مختلفًا: نقل المسألة إلى حاسوب كمومي، الذي يصف ميكانيكا الكم بشكل طبيعي. الفكرة بسيطة مثل لعبة البلياردو. الحالة الابتدائية هي «كرتان» (حزم موجية) تتجهان نحو بعضهما.

في غرفة مظلمة، حيث تبلغ درجة الحرارة أربع درجات فقط فوق الصفر المطلق، توجد بلورة ياقوت بحجم حبة أرز. عندما يمر عبرها نيوترينو — جسيم شبح لا يكاد يتفاعل مع المادة — تهتز البلورة وترتفع حرارتها بمقدار ضئيل جدًا من الدرجة. تلتقط أجهزة استشعار فائقة الحساسية عند حواف البلورة هذا الاستجابة الحرارية. لكن الجهاز لا يسمع النيوترينوات فقط.

في أعماق النجم المحتضر قبل انفجار المستعر الأعظم، تجري تفاعلات نووية تحدد أي العناصر الكيميائية ستنتشر في الفضاء. أحد هذه التفاعلات هو اصطدام نواة الأكسجين مع بروتون، ينتج عنه نواة النيتروجين وجسيم ألفا (نواة الهيليوم).

في نواة ذرة الذهب يختبئ دواء المستقبل للسرطان. إذا تم قصف هدف ذهبي بأشعة غاما بطاقة تبلغ حوالي 30 ميغاإلكترون فولط، تفقد إحدى النوى بروتونًا ونيوترونًا وتتحول إلى نظير بلاتين نادر — البلاتين-195m. هذا النظير غير مستقر: عند اضمحلاله، يُطلق إلكترونات أوجيه — جسيمات صغيرة جدًا لا تتجاوز مسارها بضعة أجزاء من المليون من المليمتر، فتمزّق خيوط الحمض النووي.

تعيش نواة ذرة الزينون-133 بضعة أيام فقط ثم تضمحل. لا يمكن صنع غشاء رقيق منها كهدف وقصفه بالجسيمات: سيختفي الغشاء أسرع من تصنيعه. لذلك فعل الفيزيائيون العكس — قاموا بتسريع نوى الزينون-132 وتوجيهها نحو هدف من الديوتيريوم (الهيدروجين الثقيل).

داخل النواة الذرية، لا تكون الجسيمات مبعثرة بشكل عشوائي. أحيانًا، يتجمع بروتونان ونيوترونان في رابطة محكمة من أربعة — يُطلق على هذا التجمع الصغير اسم العنقود ألفا (alpha cluster). إنه يشبه عائلة تتماسك معًا في منزل مزدحم. انتزاع هذه المجموعة الرباعية من النواة ومعرفة كيف كانت تعيش هناك — مهمة تتطلب بروتونًا سريعًا.

في السحب الباردة المخلخلة في الفضاء، نادرًا ما تلتقي الجسيمات، لكن أحيانًا يمر أيون وجزيء متعادل قريبين بما يكفي ليلتصقا ببعضهما. عندها يبعثان ضوءًا — مثل ومضة خافتة تحمل الطاقة الزائدة. تُسمى هذه العملية بالارتباط الإشعاعي (radiative association)، وهي مسؤولة عن ظهور العديد من الجزيئات في الفضاء بين النجمي.

الألومنيوم-26 هو نظير لا يعمر طويلاً بالمقاييس الكونية: حوالي مليون سنة فقط. عندما ينفجر نجم ضخم كمستعر أعظم، يقذف هذا الألومنيوم إلى الفضاء. لاحقًا، يتحلل باعثًا أشعة غاما يمكن التقاطها بالتلسكوبات. أعاد الباحثون حساب كمية الألومنيوم-26 التي يجب أن يقذفها نجم كتلته 20 كتلة شمسية.

النيوترينوات هي أكثر الجسيمات المعروفة صعوبة في الإمساك. كل ثانية، تمر تريليونات النيوترينوات القادمة من الشمس عبر جسمك، لكنك لا تلاحظ ذلك: فهي بالكاد تتفاعل مع المادة. لالتقاط ولو واحد منها، يبني الفيزيائيون كواشف ضخمة — أحواضًا من الماء أو الأرجون السائل في أعماق الأرض. عندما يصطدم نيوترينو بنواة ذرة، فإنه يقتلع منها جسيمًا، ومن أثر هذا الجسيم يمكن فهم ما حدث.

عندما يصطدم نيوترون بنواة ذرية، قد يقذف منها قطعة — جسيم ألفا، أي نواة الهيليوم. تحدث هذه التصادمات باستمرار في المفاعلات النووية، لكن قياسها بدقة صعب: النيوترون لا يترك أثرًا في كاشف عادي، ولا يمكن التقاطه إلا من خلال آثاره. في هذا العمل، ملأ الفيزيائيون غرفة بغاز ثاني أكسيد الكربون وأطلقوا فيها حزمة نيوترونات.

لكي تندمج نواتان ذريتان، لا بد من التغلب على تنافرهما الكهربائي الشديد، تماماً كمحاولة تقريب قطبين مغناطيسيين متشابهين. في الظروف العادية، لا يساعد على ذلك إلا طاقة هائلة، كما في أنوية النجوم، حيث شرح هانز بيته آلية الاندماج في ثلاثينيات القرن الماضي. لكن العلماء وجدوا حديثاً طريقة لإنشاء "حظيرة" معدنية.

ارتفع بالون ATIC فوق القارة القطبية الجنوبية والتقط جسيمات أقدم من الأرض نفسها. من بينها نوى ذرية من الكبريت إلى الكروم، وكلما زادت طاقتها، زادت نسبتها مقارنة بالحديد. النموذج القياسي "الصندوق المثقوب" توقع العكس: كان يجب أن تذوب النوى الثقيلة مثل الملح في الماء. لكن البيانات أصرت على الارتفاع.

في تدفق الجسيمات المشحونة القادمة إلينا من أعماق المجرة، تبين أن الحديد هو الخروف الأسود. جهاز ATIC-2، الذي رُفع على منطاد فوق القارة القطبية الجنوبية، قارن كيف تتغير نسبة النوى من الكبريت إلى الكروم بالنسبة للحديد مع تغير الطاقة.