أول تمثيل لنواة ذرية مكونة من الكواركات والغلونات!

لقد كانت النواة الذرية، وهي قلب الذرة، موضع اهتمام العلماء لفترة طويلة. تتكون النواة من بروتونات ونيوترونات، والتي تتكون في حد ذاتها من كواركات (quarks) وجلوونات (gluons)، وقد تمت دراستها على نطاق واسع خلال القرن الماضي. ومع ذلك، وعلى الرغم من التقدم الذي تم إحرازه، ظل هناك سؤال أساسي دون إجابة: هل يمكن تفسير ووصف خصائص نواة ذرة من الكواركات والجلوونات فقط؟ الجواب المثير للدهشة هو نعم.

في الآونة الأخيرة، حقق فريق دولي من علماء الفيزياء تقدمًا كبيرًا، حيث نجحوا في إعادة إنتاج خصائص النوى الذرية باستخدام نماذج الكوارك-جلوون. يمثل هذا الإنجاز الرائع علامة بارزة في فهمنا للنواة الذرية، وسد الفجوة بين الأوصاف العالية الطاقة والمنخفضة الطاقة للسلوك النووي. ولكن كيف حدث هذا الاكتشاف، وماذا يعني بالنسبة لفهمنا للنواة الذرية؟

العالم الخفي للكواركات والغلوونات

في قلب كل ذرة تقع النواة الذرية، المكونة من البروتونات والنيوترونات. لكن هذه الجسيمات ليست غير قابلة للتجزئة، بل تتكون من جسيمات أصغر تسمى الكواركات، متماسكة معًا بواسطة جسيمات تشبه الغراء تسمى جلوونات. هذا هو العالم الخفي للكواركات والجلونات، وهو عالم تحكم فيه قوانين الفيزياء سلوك هذه الجسيمات الصغيرة.

هناك ستة أنواع من الكواركات، تُعرف باسم “النكهات” (flavors) وهم علوي، سفلي، ساحر، غريب، قمي، وقعري. تتكون البروتونات والنيوترونات، التي تشكل النواة الذرية، من كواركات علوية وسفلية. ولا توجد الكواركات بمفردها أبدًا في الطبيعة، ولكنها ترتبط دائمًا مع غيرها من الكواركات أو الكواركات المضادة لتكوين الهادرونات (hadron)، مثل البروتونات والنيوترونات.

ومن ناحية أخرى، فإن الجلوونات هي الجسيمات التي تربط الكواركات معًا، وتشكل ما يشبه “الغراء” لكي تحافظ على استقرار النواة. الجلوونات هي جسيمات عديمة الكتلة، لكنها تلعب دورًا حاسمًا في ربط الكواركات معًا، مما يسمح للنواة بالوجود.
هذا العالم الخفي من الكواركات والجلونات هو أساس فهمنا للنواة الذرية، ومع ذلك، فقد استغرق العلماء عقودًا حتى يكشفوا أسرارها. لقد أحدث اكتشاف الكواركات والجلونات ثورة في فهمنا للكون، وأدى إلى رؤى جديدة حول سلوك المادة على المستوى الذري.

تاريخ موجز لدراسة نواة الذرة

لقد أذهلت النواة الذرية، وهي عالم غامض، العلماء لمدة قرن تقريبًا. منذ اكتشاف البروتونات والنيوترونات، سعى الباحثون جاهدين لفهم تعقيدات هذه الجسيمات الأساسية. في ستينيات القرن الماضي، أدى الاقتراح القائل بأن البروتونات والنيوترونات تمتلك بنية داخلية، تشتمل على الكواركات المرتبطة بالجلونات، إلى إحداث ثورة في فهمنا للنواة الذرية.

تم تأكيد وجود الكواركات تجريبيًا بعد فترة وجيزة، ولكن على الرغم من هذا التقدم، فإن إعادة إنتاج نتائج التجربة النووية باستخدام نماذج الكوارك-جلوون ظلت بعيدة المنال. لعقود من الزمن، تعايش وصفان متوازيان للنواة الذرية: أحدهما يعتمد على البروتونات والنيوترونات عند الطاقات المنخفضة، والآخر يعتمد على الكواركات والجلونات في الطاقات العالية. إن عدم القدرة على التوفيق بين هذين الوصفين كان لفترة طويلة تحديا كبيرا في الفيزياء النووية.

لقد تم تشكيل الاكتشاف التاريخي لبنية نواة الذرة من خلال مساهمات العديد من العلماء على مر السنين. منذ التجارب المبكرة التي أجراها إرنست رذرفورد إلى العمل الرائد لعلماء الفيزياء مثل موراي جيلمان، تطور فهمنا للنواة الذرية بشكل ملحوظ.

الطاقات المنخفضة والعالية

يرى البشر محيطهم لأنهم يستخدمون عيونهم لرؤية الفوتونات المتناثرة التي تفاعلت سابقًا مع الذرات والجزيئات التي تشكل أجسام بيئتنا. ويكتسب الفيزيائيون المعرفة بنواة الذرة بطريقة مماثلة، حيث يصدموها بجسيمات أصغر ويحللون نتائج الاصطدامات بدقة.

ومع ذلك، لأسباب عملية، لا يستخدمون الفوتونات المحايدة كهربائيًا، بل الجسيمات الأولية التي تحمل شُحنة، وعادة ما تكون الإلكترونات. ثم تظهر التجارب أنه عندما تكون الإلكترونات ذات طاقات منخفضة نسبيًا، تتصرف النوى الذرية كما لو كانت مكونة من نوكليونات (nucleons)، أي البروتونات والنيوترونات. بينما عند الطاقات العالية، تكون البارتونات (partons)، أي الكواركات والغلوونات، “مرئية” داخل النواة.

وقد تم إعادة إنتاج نتائج تصادم النوى الذرية بالإلكترونات بشكل جيد للغاية باستخدام نماذج تفترض وجود النيوكليونات وحدها لوصف التصادمات منخفضة الطاقة، والبارتونات وحدها للتصادمات عالية الطاقة. ومع ذلك، لم يكن من الممكن حتى الآن الجمع بين هذين الوصفين في صورة متماسكة.

توحيد الطاقات العالية والمنخفضة

لقد واجه العلماء لغزًا معقدًا مكون من قطعتين منفصلتين لا تتناسبان معًا تمامًا عندما حاولوا تفسير سلوك نواة الذرة باستخدام الكواركات والجلوونات، وهي اللبنات الأساسية للبروتونات والنيوترونات. فمن ناحية، كان لديهم فهم جيد لكيفية تصرف النواة عند الطاقات المنخفضة، حيث كانت البروتونات والنيوترونات هي اللاعبين المهيمنين. ومن ناحية أخرى، كان لديهم مجموعة مختلفة من القواعد التي تحكم سلوك الكواركات والجلوونات في الطاقات العالية. وكانت المشكلة أن هذين الوصفين لم يتداخلا، مما ترك فجوة في فهمنا للنواة.

يتضمن النهج الجديد الذي اقترحه الباحثون توسيع وظائف توزيع البارتون بمهارة، مستوحاة من نماذج النواة المستخدمة لوصف الاصطدامات منخفضة الطاقة. تعتبر هذه الوظائف حاسمة في رسم خريطة لكيفية توزيع الكواركات والجلونات داخل البروتونات والنيوترونات في جميع أنحاء نواة الذرة. ومن خلال تحديد وظائف توزيع البارتون، يمكن للفيزيائيين قياس العوامل المتغيرة تجريبيًا مثل احتمالية إنشاء جسيم معين في اصطدام الإلكترون أو البروتون بالنواة.

سمح النهج المبتكر للباحثين بتحديد وظائف توزيع البارتون الخاصة بـالـ18 نواة ذرية التي تمت دراستها، وتوزيعات البارتون في أزواج النيوكليونات المترابطة، وحتى أعداد هذه الأزواج المترابطة. أصبح هذا الإنجاز ممكنًا من خلال التعرف على ظاهرة الاقتران بين نيوكليونات معينة، والتي كانت معروفة سابقًا من خلال تجارب الطاقة المنخفضة. ومن خلال دمج هذا التأثير في نموذجهم، تمكن الباحثون من تبسيط الوصف النظري وتوفير فهم أفضل للبيانات التجريبية.

وكانت النتائج مذهلة، فقد تم تأكيد الملاحظة المعروفة من تجارب الطاقة المنخفضة بأن معظم الأزواج المترابطة هي أزواج بروتون-نيوترون. علاوة على ذلك، قدم النهج الجديد وصفًا أفضل للبيانات التجريبية مقارنة بالطرق التقليدية المستخدمة لتحديد توزيعات البارتون في النوى الذرية. ومن خلال توحيد وصف الطاقة العالية والمنخفضة، تمكن العلماء أخيرًا من فك شفرة النوى الذرية، مما مهد الطريق لفهم أعمق لبنية النواة الذرية.

• التاريخ الكبير: ما هي القوى التي تحكم الكون؟
• لغز الطاقة المظلمة: ما تفسيراته المحتملة؟
• ما هي النماذج النووية التي تفسر ظاهرة الإشعاع النووي؟
• كشف العالم الخفي لميكروبيوم الدماغ وعلاقته بالأمراض العصبية
• اكتشاف دليل على وجود المادة المظلمة في الغلاف الجوي لكوكب المشتري

وجهات نظر جديدة

واحدة من أكثر مجالات البحث الواعدة هي دراسة النوى الثقيلة، مثل الذهب والرصاص. إن فهم سلوك هذه النوى يمكن أن يؤدي إلى تطوير مصادر جديدة للطاقة النووية ومفاعلات نووية أكثر كفاءة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تطبيق هذه المعرفة لتحسين علاج السرطان، حيث يعتمد العلاج الإشعاعي غالبًا على التفاعل بين الجزيئات عالية الطاقة والنوى الذرية.

علاوة على ذلك، يمكن لهذا الاكتشاف أن يسلط الضوء على القوانين الأساسية للطبيعة، مما يسمح للعلماء بفهم أفضل للقوة النووية القوية التي تربط الكواركات معًا داخل البروتونات والنيوترونات. وهذا بدوره يمكن أن يؤدي إلى اكتشافات في فهمنا للكون، بدءًا من تكوين النجوم وحتى سلوك المادة في الظروف القاسية.

المصادر

First coherent picture of an atomic nucleus made of quarks and gluons | phys.org

Modification of Quark-Gluon Distributions in Nuclei by Correlated Nucleon Pairs | physical review letters