تعاون ATLAS في سيرن يكتشف لأول مرة اختلافات في البنية الداخلية للنواة الذرية

اكتشف باحثو تعاون ATLAS في سيرن السويسرية أصل ملاحظة تعود إلى أكثر من 40 عاماً. وأثناء تحليل بيانات التجارب التي أجريت في عام 2018، وجد العلماء أن النواة الموجودة على حافة النواة الذرية تختلف في بنيتها الداخلية عن تلك الموجودة في المركز. بالنسبة لمعظم الناس، الذرة هي أصغر جزء لا يتجزأ من العنصر الكيميائي. ومع ذلك، بالنسبة لعلماء فيزياء النواة، الذرة هي أكبر وحدة عادة ما يأخذونها في الاعتبار، وهي مجمع معقد من الجسيمات دون الذرية، يتجاوز البروتونات والنيوترونات والإلكترونات، بهدف فهم طبيعة هذه المكونات وسلوكها.

تغيرات البنية الداخلية للنواة

أظهرت الملاحظات السابقة للنواة، أي البروتونات والنيوترونات الموجودة داخل النواة الذرية، أن توزيعات زخم الكواركات والغلوونات الداخلية تتغير أيضاً بسبب اختلاف مواقعها. وقد طرح هذه الملاحظة لأول مرة تعاون الميون الأوروبي (EMC) في عام 1982، وهو فريق تجريبي آخر في سيرن. ومع ذلك، ظل سبب هذه الملاحظة غامضاً. وتسمى هذه الملاحظة دوال توزيع الجسيمات الجزئية النووية (nuclear PDFs أو nPDFs)، والمثير للدهشة فيها هو أن الطاقة المطلوبة لربط النواة داخل النواة الذرية ضئيلة مقارنة بالطاقة المطلوبة لتحليل بنيتها الداخلية.

استخدم باحثو تعاون ATLAS تصادمات أيونات الرصاص فائقة المحيطية لفك هذا اللغز. في هذه التصادمات، لا تتصادم الأيونات وجهاً لوجه، بل تقترب من بعضها البعض دون تداخل، وتتكامل عبر مجالاتها الكهرومغناطيسية. في بعض التصادمات، يضرب فوتون من نواة نواة أخرى، مما يولد تيارات ضيقة من الجسيمات، مما يتيح لنا دراسة الجسيمات الجزئية داخل النواة. عادة ما تدمر هذه التفاعلات النواة وتطلق نيوترونات «مقدمة» يمكن اكتشافها بواسطة مقياس الصفر درجة (ZDC) في تجربة ATLAS. في هذه التفاعلات، في حالات قليلة، قد لا يدمر الفوتون النواة، بل يضرب نواة واحدة فقط، وبالتالي لا ينتج نيوترونات «مقدمة».

استخدم الباحثون بيانات تصادم أيونات الرصاص التي أجريت في عام 2018، بإضاءة إجمالية قدرها 1.72 nb⁻¹.

طريقة تحديد nPDFs

كيف يتم تحديد nPDFs؟ لاكتشاف الأحداث النادرة التي يضرب فيها الفوتون نواة واحدة فقط، اختار الباحثون التصادمات التي تنتج ما لا يقل عن تيارين (jet) ولكن مع نشاط إضافي ضئيل جداً في ZDC. ثم قسموا هذه التصادمات إلى فئتين: التصادمات التي تحتوي على نيوترونات مقدمة (موسومة بـ 0nXn)، والتصادمات المحيطية التي لا تحتوي على نيوترونات مقدمة (موسومة بـ 0n0n). في التصادمات المحتوية، قد تكون النواة المضروبة موجودة في عمق النواة، بينما في التصادمات المحيطية، من المرجح أن تكون على حافة النواة. من خلال قياسات التيارات المرصودة، عين الباحثون متغيرات بديلة لحركية الجسيمات الجزئية.

X+ هو أحد هذه المتغيرات، ويساعد في تقدير نسبة زخم النواة التي يحملها الجسيم الجزئي المضروب. من خلال مقارنة توزيع x+ لفئتي الأحداث، سعى الباحثون لتحديد التغيرات في PDF. ولاحظوا ميلاً واضحاً عند مقارنة التصادمات المحتوية والمحيطية، مما يشير إلى وجود اختلافات في nPDFs الخاصة بهما. لتحديد ما إذا كانت هذه الاختلافات ذات دلالة إحصائية، أجرى الفريق اختبارات إحصائية، أكدت أن النواة الموجودة على حافة النواة تختلف في توزيع الجسيمات الجزئية عن تلك الموجودة في المركز، وفقاً لما ورد في البيان الصحفي.

كيف يغير بحث ATLAS فهم فيزياء النواة

يتمتع اكتشاف تعاون ATLAS بأهمية كبيرة لفيزياء النواة، لأنه يتحدى فهمنا الأساسي للبنية الداخلية للنواة الذرية. ركزت الدراسات السابقة بشكل رئيسي على السلوك الكلي للنواة، بينما كشفت هذه الدراسة تأثير الموقع على البنية الداخلية للنواة، مقدمة منظوراً جديداً لفهم التفاعلات بين النواة. بالإضافة إلى ذلك، قد تفتح الابتكارات التقنية في هذا البحث، وخاصة تطبيقاتها في تجارب التصادم، اتجاهات جديدة لأبحاث فيزياء النواة المستقبلية، وتعزز الاستكشاف العميق لسلوك الجسيمات دون الذرية.