في منتصف القرن العشرين، اكتشف العلماء أن البروتونات لديها القدرة على الرنين، مثل اهتزازات الساعة. على مدى العقود الثلاثة التالية، استمرت الصور ثلاثية الأبعاد للبروتون في التقدم، وتم اكتساب فهم أعمق لبنية البروتون في حالته الأرضية. ومع ذلك، فإن فهم البنية ثلاثية الأبعاد للبروتونات الرنانة لا يزال محدودًا.
تجربة حديثة أجريت في مرفق توماس جيفرسون الوطني للتسريع التابع لوزارة الطاقة الأمريكية تتعمق في البنية ثلاثية الأبعاد لرنين البروتون والنيوترون. يقدم هذا البحث قطعة أخرى من اللغز لصورة الكون حيث ظهرت الفوضى لأول مرة بعد الانفجار الكبير.
توفر دراسة الخصائص والسلوك الأساسي للنيوكليونات أدلة مهمة لفهمنا لبنات البناء الأساسية للمادة. النيوكليونات هي البروتونات والنيوترونات التي تشكل نواة الذرة. يتكون كل نيوكليون من ثلاثة كواركات، متماسكة معًا بواسطة غلوونات تحت تأثير التفاعل القوي - أقوى قوة في الطبيعة.
تسمى الحالة الأكثر استقرارًا والأقل طاقة للنواة بالحالة الأرضية. ولكن عندما يتم تحفيز النوكليون قسراً إلى حالة طاقة عالية، فإن كواركاته تدور وتهتز مع بعضها البعض، مُظهرة ما يسمى بالرنين النووي.
أجرى فريق من علماء الفيزياء من جامعة جوستوس ليبيج (JLU) في جيسن، ألمانيا، وجامعة كونيتيكت، الذين يقودون تعاون CLAS، تجربة لاستكشاف رنين النيوكليونات. تم إجراء التجارب في منشأة تسريع شعاع الإلكترون المستمر (CEBAF) ذات المستوى العالمي التابعة لمختبر جيفرسون. CEBAF هو مرفق مستخدم تابع لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة ويدعم الأبحاث التي يجريها أكثر من 1800 عالم فيزياء نووية حول العالم. تم نشر نتائج البحث مؤخرًا في مجلة Physical Review Letters المرموقة.
وقال ستيفان ديهل، قائد فريق التحليل، إن عمل الفريق كشف عن الخصائص الأساسية للرنين النووي. ديهل هو باحث ما بعد الدكتوراه ورئيس مشروع في معهد الفيزياء الثاني بجامعة الاتحاد في جيسن وأستاذ باحث في جامعة كونيتيكت. يحفز هذا العمل أيضًا إجراء أبحاث جديدة حول البنية ثلاثية الأبعاد وعمليات الإثارة للبروتونات الرنانة.
يقول ديهل: "هذه هي المرة الأولى التي نقوم فيها بإجراء قياسات وملاحظات حساسة للخصائص ثلاثية الأبعاد لهذه الحالة المثارة". "من حيث المبدأ، هذه مجرد البداية، وهذا النوع من القياس يفتح مجالًا جديدًا للبحث."
أجريت التجربة في القاعة التجريبية B للعام 2018-2019 باستخدام كاشف CLAS12 في مختبر جيفرسون. يتم تغذية شعاع من الإلكترونات عالية الطاقة إلى غرفة من غاز الهيدروجين المبرد. يضرب الإلكترون بروتون الهدف، مما يثير الكواركات الموجودة بداخله ويتحد مع حالات الكوارك والكوارك المضاد (ما يسمى بالميزونات) لإنشاء رنين نووي.
مثل هذه الإثارات عابرة، لكنها تترك دليلاً على وجودها على شكل جسيمات جديدة تنشأ عن انشطار الطاقة للجسيمات المثارة. هذه الجسيمات الجديدة طويلة بما يكفي لأجهزة الكشف لالتقاطها، حتى يتمكن الفريق من إعادة بناء الأصداء.
ديهل وآخرون. ناقشوا مؤخرًا نتائجهم في ورشة العمل المشتركة "استكشاف الهياكل الرنانة باستخدام GPDs الانتقالية" في ترينتو بإيطاليا. وقد ألهم هذا البحث مجموعتين نظريتين لنشر الأوراق ذات الصلة.
ويخطط الفريق أيضًا لإجراء تجارب إضافية في مختبر جيفرسون باستخدام أهداف واستقطابات مختلفة. عن طريق نثر الإلكترون من البروتونات المستقطبة، يمكنهم الحصول على خصائص مختلفة لعملية التشتت. بالإضافة إلى ذلك، فإن دراسة العمليات المماثلة، مثل دمج الفوتونات عالية الطاقة لإنشاء رنين، يمكن أن توفر أيضًا معلومات أكثر أهمية.
قال ديهل أنه من خلال هذه التجارب، يمكن للفيزيائيين معرفة خصائص الكون المبكر بعد الانفجار الكبير: "في البداية، كان الكون المبكر يحتوي فقط على بعض البلازما المكونة من الكواركات والجلونات، وكانت هذه البلازما تدور لأن الطاقة كانت عالية جدًا. ثم، عند نقطة معينة، بدأت المادة في التشكل، وكانت أولى تلك التي تشكلت هي حالات نووية متحمسة. وعندما توسع الكون أكثر، بردت وظهرت نيوكليونات الحالة الأرضية".
"من خلال هذه الدراسات، يمكننا أن نفهم خصائص هذه الأصداء. وهذا سيخبرنا كيف تشكلت المادة في الكون ولماذا يوجد الكون بالشكل الذي هو عليه."