عصر جدید فیزیک: کاوش مستقیم قوی‌ترین نیرو در کیهان

MacTavish · 2/3/20

فیزیکدان‌‌های هسته‌ای وارد عصر جدیدی برای بررسی قوی‌ترین نیروی موجود در کیهان شده‌اند و گویا روش نوینی برای ارزیابی فضای بین پروتون‌ها و نوترون‌ها در محیط‌های متراکم پیدا کرده‌اند.

محققان در اولین بررسی مستقیمِ برهم‌کنش هسته‌ای دریافتند که نظریه‌های پیشرو در خصوص برهم‌کنش‌های میان پروتون‌ها و نوترون‌ها آنها را به خوبی توصیف می‌کند؛ حتی در شرایطی که پروتون‌ها و نوترون‌ها به شدت هم‌پوشانی داشته باشند. این تحقیق که در دپارتمان انرژیِ مرکز تحقیقات شتاب‌دهنده ملی «توماس جفرسون» انجام شد، درهای تازه‌ای را برای مطالعۀ قوی‌ترین بخش نیروی هسته‌ای و ساختار ستاره‌های نوترونی باز می‌کند.

محقق و نویسنده ارشد و دانشجوی دورۀ فوق دکتری MIT «اکسل اشمیت» که بتازگی به دانشگاه جورج واشنگتن راه یافته است، بیان کرد: «تا قبل از تحقیق حاضر، نیروهای میان پروتون‌ها و نوترون‌ها در فواصل بسیار کوتاه، تنها با استفاده از مدل‌ها قابل بررسی بود. بتازگی ما روش جدیدی را برای تجزیه و تحلیل داده‌ها در آزمایشگاه توماس جفرسون پیدا کردیم که این فرصت را به ما می‌دهد تا این نوع نیروها را در فواصل بسیار کوتاه‌تری مورد بررسی قرار دهیم.»

نیروی هسته‌ای قوی یکی از چهار نیروی اصلی طبیعت است که شامل گرانش، الکترومغناطیس و نیروی هسته‌ای ضعیف می‌باشد. نیروی قوی پروتون‌ها و نوترون‌هایی را که هستۀ اتم را تشکیل می‌دهند، کنار یکدیگر نگه می‌دارد؛ و همچنین هسته هر اتمی را که جهان ِ قابل مشاهده ما را تشکیل می‌دهد.

اشمیت در ادامه گفت: «آنچه ما در مقالۀ حاضر ارائه کرده‌ایم، روش جدیدی است که می‌تواند به ما در کسب اطلاعات بیشتر در خصوص نیروها کمک کند. در این راستا، پروتون‌ها و نوترون‌هایی که در هسته به یکدیگر نزدیک می‌شوند، مورد توجه ما هستند. با نزدیک شدنِ جفت پروتون‌ها و نوترون‌ها به همدیگر، شاید همبستگی کوتاه‌مدتی با هم برقرار کنند و شراکت مختصری میان آنها پدید آید. در این همبستگی، قبل از اینکه ذرات جدا شده و راه خود را در پیش بگیرند، نوعی همپوشانی میان آنها ایجاد می‌شود. ما در تجزیه و تحلیل‌هایمان، عکس‌هایی از این روابط تهیه کردیم تا جزئیات ماده هسته‌ای متراکم را مطالعه کنیم. سپس مدل‌های مختلف و نوینی را برای نیروی هسته‌ای قوی آزمایش کردیم تا ببینیم این مدل تا چه حد به توضیح داده‌ها می‌پردازد.»

محققان دریافتند که موفق‌ترین مدل‌ها می‌توانند نیروی هسته‌ای قوی در فواصل کوتاه را توصیف کنند. شیوه برهم‌کنش پروتون‌ها با سایر پروتون‌ها تفاوت بسیار زیادی با شیوه برهم‌کنش آنها با نوترون‌ها دارد. با کمتر شدنِ فاصله میان ذراتی که با هم وارد همبستگی شده‌اند، برهم‌کنش نیروی هسته‌ای تغییر پیدا کرده و برهم‌کنش اسکالر را تجربه می‌کند. بر این اساس، برهم‌کنش پروتون-پروتون و پروتون-نوترون شباهت زیادی به هم دارند. اشمیت همچنین توضیح داد: «ما دریافتیم که این مدل‌های نیرو که دارای هسته‌ رانشی سخت‌تری هستند، نقش بهتری در توضیح داده‌ها دارند.»

این هسته رانشیِ سخت در نیروی هسته‌ای قوی قبلاً هرگز بطور مستقیم مشاهده نشده بود. به گفته محققان، دلیل عدم موفقیت در آزمایش‌های قبلی این بود که محققان می‌خواستند با استفاده از انرژی‌های بیشتری به این مقیاس‎‌های فاصله‌ای کوتاه در شتاب‌دهنده‌های ذره دست پیدا کنند. در این صورت، بررسی برهم‌کنش میان ذرات به امر بسیار پیچیده‌ای تبدیل می‌شد، زیرا انرژی بسیار زیادی برای ارزیابی فواصل کوتاه مورد نیاز بود.

محققان از این یافته شگفت‌زده شده بودند که اگرچه پروتون‌ها و نوترون‌ها در این برهم‌کنش‌ها با یکدیگر هم‌پوشانی داشتند، اما مدل‌هایی که آنها را به عنوان ذره در نظر می‌گرفت، می‌توانستند کماکان رفتار آنها را به خوبی توصیف کنند. این مورد در دامنه‌ای از هسته‌های مختلف در آزمایش به تایید رسید؛ از کربن گرفته تا سرب.

«جکسون پیابس» دانشجوی MIT و یکی از نویسندگان این مقاله گفت: «ما دریافتیم که کماکان می‌توان با استفاده از پروتون‌ها و نوترون‌ها به مدل‌سازی داده‌ها پرداخت؛ اگرچه شاید آنها در فواصل بسیار کوتاهی باشند. پروتون‌ها و نوترون‌ها تا حدود بسیار زیادی با یکدیگر همپوشانی دارند، اما به نظر نمی‌رسد مدل‌ها و محاسبات ما را بی‌اعتبار سازد. علاوه‌براین، این نتیجه می‌تواند بینش ما دربارۀ ساختار ستاره‌های نوترونی را ارتقاء بخشد. به طوری که انتظار می‌رود پروتون‌ها و نوترون‌ها همان‌گونه که در آزمایش‌ها مطالعه شده است، همپوشانی بالایی با هم داشته باشند.»

«اور هانسن» استادیار فیزیک در MIT و سخنگوی این پروژه بیان داشت: «این یک موفقیت بزرگ برای فیزیک هسته‌ای مدرن به شمار می‌آید، زیرا هیچکس انتظار نداشت این مدل بتواند در این مقیاس فاصله با واقعیت ارتباط داشته باشد. باید دید که آیا این نتایج وقتی در دامنه وسیعی از هسته‌ها با دقت بالا به کار برده شوند، تکرار می‌شوند یا خیر.» جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Nature منتشر شده است.