قام الباحثون بقصف الإلكترونات من نوى الرصاص في منشأة مسرع توماس جيفرسون الوطنية.
مختبر وزارة الطاقة جيفرسون
بقلم أدريان تشو
قل ما تحبه بشأن الرصاص ، فهو يتمتع بقشرة سميكة بشكل مدهش – النيوترونات ، في الواقع. في الواقع ، فإن طبقة النيوترون الموجودة على السطح الخارجي لنواة الرصاص تبلغ سمكها ضعف سماكة علماء الفيزياء ، وفقًا لدراسة جديدة. يمكن أن يكون للنتيجة التي تبدو غامضة تداعيات خارج هذا العالم: يمكن أن تكون النجوم النيوترونية ، وهي المجالات فائقة الكثافة التي تُترك وراءها عندما تنفجر النجوم في انفجار سوبرنوفا ، أكثر صلابة وأكبر مما تتنبأ به النظرية عمومًا.
تقول آنا واتس ، عالمة الفيزياء الفلكية بجامعة أمستردام ، والتي تدرس النجوم النيوترونية: “إنه إنجاز تجريبي رائع”. “لقد تحدثنا عن ذلك لسنوات وسنوات وسنوات ، ومن الرائع جدًا رؤيته انتهى أخيرًا.”
تتكون نواة الذرة من البروتونات والنيوترونات الملتصقة ببعضها البعض بواسطة ما يسمى بالقوة النووية القوية. تكون النيوترونات عمومًا أكثر عددًا من البروتونات. ومع ذلك ، ليس كثيرًا لأن الاختلال الكبير في عدد البروتونات والنيوترونات يزيد من الطاقة الداخلية للنواة ويمكن أن يجعلها غير مستقرة. تتنبأ النظرية عمومًا بأن النواة الكبيرة تتكون من مزيج متساوٍ تقريبًا من البروتونات والنيوترونات محاطة بجلد من النيوترونات النقية.
هذا هو سمك هذا الجلد الذي قاسه علماء الفيزياء النووية في تجربة شعاع الرصاص (Pb) (PREX) في منشأة التسريع الوطنية توماس جيفرسون. لقد فعلوا ذلك عن طريق ارتداد إلكترونات غزيرة من نوى الرصاص 208 ، وهو النظير الأكثر شيوعًا للعنصر ، والذي يحتوي على 82 بروتونًا و 126 نيوترونًا. تتفاعل الإلكترونات سالبة الشحنة مع البروتونات الموجبة الشحنة بشكل أساسي من خلال القوة الكهرومغناطيسية ، التي تنحرف عن الإلكترونات. من خلال هذا التشتت الكهرومغناطيسي ، قام فيزيائيون آخرون سابقًا بقياس توزيع البروتونات في نواة الرصاص 208 ووجدوا أنها تمتد إلى نصف قطر 5.50 فيرمي – فيرمي يمثل واحدًا من مليون من نانومتر واحد.
لاستكشاف النيوترونات ، استغل علماء فيزياء PREX حقيقة أن الإلكترونات يمكن أن تتفاعل مع البروتونات والنيوترونات بفضل القوة النووية الضعيفة. ضعيفة مقارنة بالقوة الكهرومغناطيسية ، وتعتمد قوتها على ما إذا كان الإلكترون القادم يدور إلى اليمين – مثل كرة القدم التي ألقاها لاعب الوسط الأيمن – أو إلى اليسار. سمحت هذه المرونة لباحثي PREX باكتشاف تأثير القوة الضعيفة.
أطلق الباحثون شعاعًا من الإلكترونات ، يدور تقريبًا بنفس الطريقة ، في نوى الرصاص وقاموا بقياس احتمالية انحرافها بزاوية معينة. ثم عكسوا الإلكترونات لتدور في الاتجاه المعاكس وبحثوا عن فرق جزء واحد في المليون في تيار الإلكترونات المنحرفة. قد يشير هذا التباين الضئيل إلى تأثير القوة الضعيفة ، وسيكشف حجمها عن الانتشار المكاني للنيوترونات. عكس الفيزيائيون دوران الإلكترونات 240 مرة في الثانية ، مع الحرص الشديد على التأكد من أنها لا تغير طاقة أو شدة أو مسار الحزمة.
يشير عدم التناسق الملحوظ إلى أن نواة الرصاص لها جلد نيوتروني بسمك 0.28 فيرمي ، وتعطي أو تأخذ 0.07 ، حسبما أفاد باحثو PREX اليوم في خطابات الفحص البدني. سارت الامور بشكل جيد مع هذا القياس قياس سابق أبلغ عنه فريق PREX في عام 2012 ، لكن البيانات الجديدة تقلل من حالة عدم اليقين إلى النصف. تشير النتائج الأكثر دقة إلى أن الجلد النيوتروني للرصاص -208 يبلغ سمكه ضعف سمكه كما توقع المنظرون وقد أشارت تجارب أخرى أقل مباشرة. يقول كريشنا كومار ، الفيزيائي بجامعة ماساتشوستس في أمهيرست والمتحدث المشارك باسم فريق PREX: “لقد أجبرت الجميع على البدء في فحص فرضياتهم ، وهو حلم للمُجربين”.
تتضمن بعض هذه الافتراضات في النهاية طبيعة النجوم النيوترونية. على الرغم من أن النواة الذرية أقل كثافة بعدة مرات من النجم النيوتروني ، إلا أنه يمكن استخدام الأولى للتوصل إلى استنتاجات حول الأخير ، كما يقول خورخي بيكارفيتش ، المنظر النووي في جامعة ولاية فلوريدا. على وجه الخصوص ، يشير الجلد النيوتروني السميك إلى أن النجوم النيوترونية أقل قابلية للانضغاط مما تتنبأ به العديد من النظريات ، كما يقول ، مما يجعلها أكبر. في الواقع ، في مقال آخر نُشر اليوم في خطابات الفحص البدني، Piekarewicz وزملاؤه أن نتيجة PREX تشير إلى نصف قطر بين 13.25 و 14.25 كيلومترًا لنجم نيوتروني عادي أكبر بـ 1.4 مرة من الشمس. تعطي معظم النظريات تقديرات أقرب إلى 10 كيلومترات.
الحجم العملاق معقول بالنسبة لكول ميلر ، عالم الفلك في جامعة ميريلاند ، كوليدج بارك ، الذي يعمل مع نجم ناسا نيوترون الداخلي (NICER) ، وهو تلسكوب للأشعة السينية في محطة الفضاء الدولية. يستخدم باحثو NICER الطيف الإشعاعي لنجم نيوتروني دوار لاستنتاج حجمه وحتى رسم خرائط غير منتظمة على سطحه. قامت الأداة بقياس إشعاع نجمين نيوترونيين أكبر بمقدار 1.4 و 2.1 مرة من كتلة الشمس ووجدت أن نصف قطر كليهما يبلغ حوالي 13 كيلومترًا.
لكن ميللر يشير إلى أن البيانات الواردة من أجهزة الكشف عن الموجات الثقالية قد تفضل النجوم النيوترونية الأصغر والأكثر ليونة. في عام 2017 ، رصد علماء الفيزياء من مرصد مقياس التداخل بالليزر (LIGO) في الولايات المتحدة وكاشف العذراء في إيطاليا نجمان نيوترونيان يدوران حول بعضهما البعض والاندماج ، على الأرجح لتشكيل ثقب أسود. يقول ميلر إذا كانت النجوم النيوترونية كبيرة وصلبة نسبيًا ، فعندئذ قبل الاندماج كان من المفترض أن تبدأ في الالتواء بفعل الجاذبية. لكن الباحثين في LIGO و Virgo لم يروا أي دليل على مثل هذا التشوه في المد والجزر في إشاراتهم ، كما يقول.
ومع ذلك ، يقول Witold Nazarewicz ، المنظر النووي في جامعة ولاية ميتشيغان ، إنه من السابق لأوانه القلق بشأن الآثار الفيزيائية الفلكية لنتائج PREX. وأشار إلى أن الفريق يقيس فقط عدم تناسق تشتت الإلكترون ، والنظريات التي يستخدمها الباحثون لتحويله إلى سمك الجلد النيوتروني لها شكوكها الخاصة. يقول نازاريويز إن القيمة التي يحصل عليها الفريق لعدم التماثل قد تتعارض بالفعل مع قياسات الخصائص الأخرى لللب الرئيسي. “أود أن أعرف ما إذا كان كل شيء يتوافق مع الرصاص 208.”
ومع ذلك ، من المرجح أن تدفع نتيجة PREX المفاجئة علماء الفيزياء النووية وعلماء الفيزياء الفلكية إلى إعادة فحص الروابط النظرية بين النوى الذرية والنجوم النيوترونية ، كما يقول بيكارفيتش. “إنها صدمة نفسية للمجتمع”.
