كل ذرة مادة في الكون مبنية حول نواة.

إنها حزمة متماسكة من البروتونات والنيوترونات التي تشكل النواة الذرية، يحدد هويته العنصرية، ويحتوي على معظم كتلته.

غالبًا ما تصور الكتب المدرسية هذه النقطة من الجسيمات على أنها نوع من التوت الكروي، الذي تدور حوله الإلكترونات في سلسلة من المدارات – لكن هذه ليست الصورة الأكثر دقة دائمًا.

الآن، في مصادم هادرون الكبير وفي المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN)، وجد الفيزيائيون دليلاً على أحد تلك الأشكال: نواة مبنية على شكل كرة البولينج تكمن داخل كل ذرة نيون.

وهو ليس مجرد فضول أيضًا. إن فهم هذا الشكل له آثار على الفيزياء النووية، وعلى فهم السلوك الجماعي الغريب للمادة التي يتم إنتاجها ومتى تصادم النوى الذرية على طاقات هائلة.

ليست كل النوى مبنية على حد سواء. يمكن أن يكون لبعض الأشكال أشكال تتباعد عن الكرة؛ على سبيل المثال، يحتوي الراديوم-224 على نسبة غير متوازنة بشكل واضح نواة ذرية على شكل كمثرى. إن فهم هذه الأشكال يمكن أن يساعد الفيزيائيين على التنبؤ بكيفية سوء تصرف النوى في ظل الظروف القاسية.

لكن رؤية تلك الأشكال في الواقع ليست بهذه البساطة، وليس فقط لأن النوى الذرية صغيرة جدًا.

في القياسات العادية، لا تبقى النواة ساكنة. تتوسط حالتها الكمومية بشكل فعال في جميع الاتجاهات الممكنة، وبالتالي فإن النواة غير الكروية ذات الزخم الزاوي صفر ستظل تبدو كروية عند مشاهدتها في المختبر.

هذا هو المكان الذي يكون فيه من المفيد أن يكون لديك مصادم جسيمات تحت تصرفك. عندما تتصادم النوى الذرية معًا، فإن بنيتها الأساسية يمكن أن تؤثر على تدفق المادة الناتجة عن الاصطدام.

تخيل وضع جسمين مختلفي الشكل في مجرى ماء، مخفيين عن الأنظار. من خلال دراسة كيفية تدفق الماء حول كل جسم في اتجاه مجرى النهر، يمكنك الرجوع إلى الوراء لتعلم شيء ما عن شكل الجسم الذي تسبب في اضطرابه.

المبدأ هنا مشابه، على الرغم من أنه بدلاً من إزعاج التدفق الموجود، فإن الاصطدام النووي يخلق المادة المتدفقة في المقام الأول.

في تجربتهم، قامت مجموعة CMS Collaboration بمقارنة الاصطدامات بين نواتين ذريتين مختلفتين – الأكسجين 16 والنيون 20.

لم يقوموا بتحطيم الأكسجين والنيون معًا، لكنهم درسوا نتائج عمليات المصادم المختلفة التي تتضمن تصادمات الأكسجين والأكسجين وتصادمات النيون والنيون.

والسبب في ذلك هو أن الأكسجين-16 والنيون-20 يشكلان شركاء مقارنة مفيدين. النواتان متقاربتان نسبيًا في الكتلة، ولكن من المحتمل أن يكون لهما هياكل جوهرية مختلفة جدًا.

تتنبأ الحسابات (و عدة أعمال سابقة يملك وجدت أدلة) أن الأكسجين-16 له بنية نووية رباعية السطوح، في حين أن البنية المتوقعة للنيون أشبه بلعبة البولينج.

قارن الباحثون كيفية تدفق الجسيمات من كل نوع من الاصطدامات، بحثًا عن أنماط في التدفق يمكن أن تكشف عن الهندسة الأولية للنواة المعنية.

وكانوا يتطلعون لمعرفة ما إذا كان من المرجح أن تظهر الجسيمات في اتجاهات معينة، وهي أنماط تعرف بالتدفق الإهليلجي والمثلث. إذا كانت الهياكل النووية الأساسية مختلفة حقًا، فستظهر اختلافات دقيقة في كلا نمطي التدفق هذين.

وعلى وجه الخصوص، ينبغي أن يظهر الاختلاف في البنية في القوة النسبية للتدفق الإهليلجي، خاصة في معظم الاصطدامات المباشرة.

وهذا ما وجده الباحثون – مع الحذر. هناك حاجة إلى مزيد من التحقيق لأن التغيرات المقاسة في التدفق الثلاثي لم تتطابق مع تنبؤات النموذج من الناحية الكمية.

ومع ذلك، لا تزال هذه نتيجة رائعة حقًا، لأن ما تظهره هو أن التدفق الجماعي في هذه الاصطدامات حساس حقًا للهندسة النووية. قد لا تكون لدينا صورة لقطعة بولينج صغيرة جدًا، لكن الأدلة لا تزال متسقة مع التشوه النووي.

وهذا يعني أن مصدرًا دقيقًا مثل الترتيب المكاني للبروتونات والنيوترونات في نواة الذرة يمكن أن يترك بصمة يمكن اكتشافها في رذاذ الجسيمات الذي ينطلق عندما تصطدم النوى.

متعلق ب: بعد 50 عامًا من البحث، ربما عثر الفيزيائيون أخيرًا على جسيمات “Glueball”

لذلك تشير النتائج إلى أن مصادمات الجسيمات يمكن أن تمنح الفيزيائيين طريقة جديدة لاستكشاف هياكل النوى الذرية – عن طريق تحطيمها معًا وقراءة شكلها في الأحشاء المقذوفة، مثل الهريسات المغلفة في المختبر.

“تحدد هذه النتائج حساسية التدفق الجماعي في تصادمات الأيونات الضوئية لكل من الهندسة الأولية والاستجابة الهيدروديناميكية للوسط.” يكتب الباحثون.

“إنها توفر قيودًا صارمة على نماذج تجميع الأنظمة الصغيرة وتوفر آثارًا قيمة لدراسات البنية النووية.”

وقد تم نشر النتائج في رسائل المراجعة البدنية.