معمای اعداد جادویی هسته‌ای سرانجام حل شد

برای دهه‌ها، فیزیک‌دانان می‌دانستند برخی اتم‌ها به شکل عجیبی پایدارتر از بقیه‌اند، اما علت دقیق آن را نمی‌دانستند. اکنون پژوهشی تازه توانسته توضیح دهد این پایداری ویژه چگونه از دل قوانین کوانتومی و نیروهای هسته‌ای به وجود می‌آید؛ معمایی که حدود ۸۰ سال ذهن دانشمندان را مشغول کرده بود.

ماجرا به دهه ۱۹۴۰ برمی‌گردد، زمانی که ماریا گوپرت مایر، فیزیک‌دان برجسته آمریکایی آلمانی نشان داد که اگر هسته اتم تعداد خاصی پروتون و نوترون داشته باشد (برای مثال ۵۰ یا ۸۲) به شکل غیرمعمولی پایدار می‌شود. این مقادیر بعدها «اعداد جادویی» نام گرفتند. از آن زمان، پژوهش‌های فراوانی نشان دادند که بسیاری از پایدارترین و در نتیجه فراوان‌ترین عناصر جهان دقیقاً همین تعدادهای خاص را در هسته خود دارند. این کشف نقش مهمی در شکل‌گیری فیزیک هسته‌ای مدرن داشت.

برای توضیح معما، دانشمندان مدلی به نام «مدل پوسته‌ای هسته» پیشنهاد کردند. طبق این مدل، پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم مانند الکترون‌ها در اطراف هسته، در ترازهای انرژی مشخص یا «پوسته‌ها» قرار می‌گیرند. وقتی یک پوسته پر می‌شود، هسته به وضعیت بسیار پایداری می‌رسد. این مدل هنوز هم برای تفسیر بسیاری از آزمایش‌های هسته‌ای استفاده می‌شود. بااین‌حال، یک مشکل بزرگ وجود داشت: این مدل فرض می‌کرد هر ذره در هسته تقریباً مستقل از بقیه رفتار می‌کند، در حالی که نظریه‌های کوانتومی جدید نشان می‌دهند ذرات درون هسته برهم‌کنش‌های بسیار قوی و پیچیده‌ای با هم دارند. این تناقض سال‌ها بی‌پاسخ مانده بود.

یائو توضیح می‌دهد که تفاوت مطالعه‌ی جدید با روش‌های قبلی مثل تفاوت عکس با وضوح پایین و وضوح بالا است. پیش‌تر یا دانشمندان هسته را با مدل ساده و کم‌جزئیات بررسی می‌کردند، یا تلاش می‌کردند تمام جزئیات پیچیده را همزمان ببینند. اما تیم جدید پلی میان این دو دیدگاه ساخته است. آن‌ها محاسبات را از توصیف بسیار دقیق شروع کردند و سپس به‌تدریج وضوح مدل را کاهش دادند تا ببینند ساختار هسته چگونه تغییر می‌کند.

در این مسیر، پژوهشگران متوجه شدند تقارن حالت‌های کوانتومی ذرات تغییر می‌کند. اگر معادلات مربوط به این حالت‌ها را رسم کنیم، در هر سطح از وضوح شکل‌هایی با تقارن متفاوت به دست می‌آید. نتیجه شگفت‌انگیز این بود که هسته زمانی بیشترین پایداری را پیدا می‌کند که ذرات در همان تعدادهای «جادویی» کنار هم قرار بگیرند. به بیان ساده، اعداد جادویی نتیجه طبیعی تغییر تقارن در ساختار کوانتومی هسته هستند.

ژان-پل ابران از سازمان انرژی‌های جایگزین و انرژی اتمی فرانسه پژوهش را شبیه «میکروسکوپ ریاضی» توصیف می‌کند. به گفته او، طبیعت بسته به وضوحی که با آن مشاهده می‌شود، متفاوت به نظر می‌رسد و این مطالعه دقیقاً همان چیزی را نشان می‌دهد که آزمایش‌های هسته‌ای نیز تجربه می‌کنند.

نکته جالب اینکه تغییر تقارنی که در پژوهش دیده شد، با اثراتی مرتبط است که در نظریه نسبیت خاص آلبرت اینشتین توصیف شده‌اند. این موضوع نشان می‌دهد که پدیده اعداد جادویی نقطه تلاقی چند شاخه مهم فیزیک، از مکانیک کوانتومی تا نسبیت است.

پژوهشگران برای آزمایش نظریه خود، آن را روی نوعی قلع بررسی کردند که «دوبار جادویی» محسوب می‌شود، زیرا هسته آن دقیقاً ۵۰ پروتون و ۸۲ نوترون دارد. آن‌ها همچنین چند هسته دیگر را هم بررسی کردند و نتایج با پیش‌بینی‌ها همخوانی داشت.

گام بعدی تیم پژوهشی بررسی هسته‌های سنگین‌تر است؛ هسته‌هایی که معمولاً ناپایدارند و در شرایطی بسیار پرانرژی شکل می‌گیرند. دانشمندان امیدوارند با این روش بتوانند بفهمند عناصر سنگین چگونه در انفجار ستاره‌ها یا برخورد ستاره‌های نوترونی ساخته می‌شوند.

پژوهش در ژورنال Physical Review Letters منتشر شده است.