كيف يبدو الجزء الداخلي من ذرة الكربون؟ تقدم دراسة حديثة أجراها مركز أبحاث يوليش وجامعة ولاية ميشيغان وجامعة بون أول إجابة شاملة على هذا السؤال. كشفت دراسة اختراقية عن البنية الداخلية لنواة الكربون، مما يسلط الضوء على أهمية حالة هويل ويقدم رؤى جديدة حول ترتيب الجزيئات النووية. يمهد هذا البحث الطريق لمزيد من الاكتشافات في الفيزياء النووية.
في هذه الدراسة، قام الباحثون بمحاكاة جميع حالات الطاقة المعروفة للنواة الذرية. يتضمن ذلك وضع هويل المحير. لو لم تكن حالة هويل موجودة، لكان للكربون والأكسجين وجود ضئيل في الكون. لذلك، نحن مدينون بوجودنا لها أيضًا. ونشر البحث في مجلة نيتشر كوميونيكيشنز.
تكوين وديناميكية النوى الذرية
تتكون نواة ذرة الكربون عادة من ستة بروتونات وستة نيوترونات. ولكن كيف يتم ترتيبها بالضبط؟ عندما يتم قصف النوى الذرية بإشعاعات عالية الطاقة، كيف تتغير تكويناتها؟ لقد ظل المجتمع العلمي يبحث عن إجابات لهذه الأسئلة منذ عقود. خاصة أنها يمكن أن تقدم إجابة على اللغز الذي حيّر علماء الفيزياء لفترة طويلة: لماذا يوجد الكثير من ذرات الكربون في الفضاء، والتي بدونها لن تكون هناك حياة على الأرض؟ بعد كل شيء، بعد وقت قصير من الانفجار الكبير، لم يكن هناك سوى الهيدروجين والهيليوم. تتكون نواة الهيدروجين من بروتون واحد، وتتكون نواة الهيليوم من بروتونين ونيوترونين. تم إنشاء جميع العناصر الأثقل بعد مليارات السنين بواسطة النجوم القديمة. في هذه النجوم، تندمج نوى الهيليوم في نوى الكربون تحت ضغط هائل ودرجات حرارة عالية للغاية. وهذا يتطلب دمج ثلاث نوى هيليوم معًا.
وأوضح البروفيسور الدكتور أولف مايسنر من معهد هيلمهولتز للإشعاع والفيزياء النووية بجامعة بون ومعهد المحاكاة المتقدمة في Forschungszentrum Jülich: "لكن في الواقع من غير المرجح أن يحدث هذا. لماذا؟ إن طاقة نواة الهيليوم أعلى بكثير من طاقة نواة الكربون".
ومع ذلك، هذا لا يعني أنه من السهل مزجهم بشكل خاص، بل على العكس تمامًا: يبدو الأمر مثل ثلاثة أشخاص يحاولون القفز في لعبة دوّامة. ولكن نظرًا لأنها تسير بشكل أسرع بكثير من لعبة الدوامة، فمن الصعب تحقيق النجاح.
ولاية هويل: مفتاح تكوين الكربون
لذلك، في وقت مبكر من الخمسينيات، تكهن عالم الفلك البريطاني فريد هويل بأن ثلاث نوى الهيليوم اجتمعت معًا لتشكل حالة انتقالية. "حالة هويل" هذه تشبه إلى حد كبير طاقة نواة الهيليوم. إنها مثل لعبة دوامة الخيل التي تدور بشكل أسرع بحيث يمكن لثلاثة ركاب القفز عليها بسهولة. عندما يحدث هذا، يتباطأ الرف الدائري إلى سرعته العادية.
وقال مايسنر، وهو عضو في مجال البحث متعدد التخصصات "النمذجة" و"المادة" في جامعة بون: "فقط من خلال تجاوز حالة هويل، يمكن للنجوم إنتاج كميات كبيرة من الكربون".
تكنولوجيا المحاكاة المتقدمة
منذ حوالي عشر سنوات، نجح مع زملائه من الولايات المتحدة، Forschungszentrum Jülich وRuhr-Universität Bochum، في محاكاة ولاية هويل لأول مرة.
ويوضح قائلاً: "في ذلك الوقت كنا نعرف بالفعل كيف تم ترتيب البروتونات والنيوترونات في نواة الكربون في هذه الحالة. ومع ذلك، لم نتمكن من إثبات صحة هذه الفرضية بشكل مؤكد".
وبمساعدة طريقة متقدمة، نجح الباحثون الآن. يعتمد هذا بشكل أساسي على القيود: في الواقع، يمكن للبروتونات والنيوترونات - النيوكليونات - أن تتواجد في أي مكان في الفضاء. ومع ذلك، ولإجراء حساباتهم، قام فريق البحث بتقييد هذه الدرجة من الحرية: "لقد قمنا بترتيب الجسيمات النووية عند عقد شبكة ثلاثية الأبعاد"، كما يوضح مايسنر. "لذلك، نحن نسمح لها فقط بأن تكون في مواقع معينة محددة بدقة. وبسبب هذا القيد بالتحديد، من الممكن حساب حركة النيوكليونات. هذه المهمة معقدة للغاية لأن التفاعل بين الجزيئات النووية يختلف باختلاف المسافة."
أجرى الباحثون أيضًا ملايين عمليات المحاكاة بظروف بداية مختلفة قليلًا. وقد سمح لهم ذلك بمعرفة المكان الذي من المرجح أن تظهر فيه البروتونات والنيوترونات.
يقول مايسنر: "لقد أجرينا حسابات لجميع حالات الطاقة المعروفة لنواة الكربون". تم إجراء الحسابات على الكمبيوتر العملاق JEWELS الموجود في مركز أبحاث Jülich. في المجمل، تطلبت الحسابات حوالي 5 ملايين ساعة معالج، مع آلاف المعالجات التي تعمل في وقت واحد.
الكشف عن بنية النواة الذرية
توفر هذه النتائج بشكل فعال صورة لنواة الكربون. لقد أثبتوا أن الجسيمات النووية لا توجد بشكل مستقل. يوضح الفيزيائي: «بدلاً من ذلك، تتجمع في مجموعات مكونة من نيوترونين وبروتونات. وهذا يعني أنه لا يزال من الممكن اكتشاف ثلاث نوى الهيليوم بعد اندماجها لتكوين نواة الكربون. اعتمادًا على حالة الطاقة، فهي موجودة في أشكال مكانية مختلفة - إما مرتبة في مثلث متساوي الساقين، أو مثل ذراع منحنية قليلاً، مع نواة واحدة عند الكتف والمرفق والمعصم. "
هذه الدراسة لا تمنح الباحثين فهمًا أفضل لفيزياء نوى الكربون فحسب. وقال مايسنر: "الطريقة التي طورناها يمكن استخدامها بسهولة لمحاكاة النوى الذرية الأخرى، وسوف تؤدي بالتأكيد إلى رؤى جديدة تماما".
المراجع شين شيهانغ، وسردار الحاتيساري، وتيمو أ. لاهدي، ودين لي، وبينغ نان لو، وأولف جي. مايسنر، "الهندسة الناشئة والثنائيات في نوى الكربون"، 15 مايو 2023، Nature Communications. مايسنر، 15 مايو 2023، Nature Communications.
دوى:10.1038/s41467-023-38391-y
المصدر المجمع: ScitechDaily