تجربة جديدة تلقي بظلال من الشك على النظرية الرائدة للنواة

النسخة الأصلية ل هذه القصة ظهرت في مجلة كوانتا.

يؤكد القياس الجديد للقوة النووية القوية ، التي تربط البروتونات والنيوترونات معًا ، التلميحات السابقة لحقيقة غير مريحة: ما زلنا لا نملك فهمًا نظريًا قويًا حتى لأبسط الأنظمة النووية.

لاختبار القوة النووية الشديدة ، لجأ الفيزيائيون إلى نواة الهليوم -4 ، التي تحتوي على بروتونين ونيوترونين. عندما تكون نوى الهيليوم متحمسة ، فإنها تنمو مثل بالون منتفخ حتى ينفجر أحد البروتونات. من المثير للدهشة ، في تجربة حديثة ، أن نوى الهيليوم لم تتضخم وفقًا للخطة: لقد تضخمت أكثر من المتوقع قبل أن تنفجر. قياس يصف هذا التوسع ، يسمى عامل الشكل ، هو ضعف حجم التوقعات النظرية.

قالت سونيا باكا ، عالمة الفيزياء النظرية بجامعة يوهانس جوتنبرج في ماينز ومؤلفة الورقة التي تصف التناقض ، والتي نُشرت في مجلة Physical Review Letters: “يجب أن تنجح النظرية”. “نحن في حيرة.”

يقول الباحثون إن نواة الهليوم المتضخمة هي نوع من المختبر الصغير لاختبار النظرية النووية لأنها تشبه المجهر – يمكنها تضخيم أوجه القصور في الحسابات النظرية. يعتقد الفيزيائيون أن بعض الخصائص المميزة لهذا الانتفاخ تجعله شديد الحساسية حتى لأضعف مكونات القوة النووية – وهي عوامل صغيرة جدًا لدرجة أنها عادة ما يتم تجاهلها. يتوافق مقدار تضخم النواة أيضًا مع إسفنج المادة النووية ، وهي خاصية تقدم نظرة ثاقبة للقلوب الغامضة للنجوم النيوترونية. ولكن قبل شرح سحق المادة في النجوم النيوترونية ، يجب على الفيزيائيين أولاً معرفة سبب كون تنبؤاتهم بعيدة كل البعد.

قالت بيرا فان كولك ، عالمة النظريات النووية في المركز الوطني الفرنسي للأبحاث العلمية ، إن باكا وزملاؤها كشفوا عن مشكلة كبيرة في الفيزياء النووية. لقد وجدوا ، كما قال ، مثالًا حيث فشل فهمنا الأفضل للتفاعلات النووية – إطار يُعرف باسم نظرية المجال الفعال اللولبي -.

قال فان كولك: “يضاعف هذا الانتقال المشكلات (مع النظرية) التي لا تكون ذات صلة في المواقف الأخرى”.

القوة النووية القوية

النيوكليونات الذرية – البروتونات والنيوترونات – مرتبطة ببعضها البعض بواسطة القوة الشديدة. لكن نظرية القوة الشديدة لم يتم تطويرها لشرح كيفية التصاق النيوكليونات ببعضها البعض. بدلاً من ذلك ، تم استخدامه لأول مرة لشرح كيفية تكوين البروتونات والنيوترونات من جسيمات أولية تسمى الكواركات والغلوونات.

لسنوات عديدة ، لم يفهم الفيزيائيون كيفية استخدام القوة الشديدة لفهم لزوجة البروتونات والنيوترونات. كانت إحدى المشكلات هي الطبيعة الغريبة للقوة الشديدة – فهي تزداد قوة مع زيادة المسافة ، بدلاً من أن تختفي ببطء. منعتهم هذه الميزة من استخدام حيلهم الحسابية المعتادة. عندما يرغب فيزيائيو الجسيمات في فهم نظام معين ، فإنهم عادةً ما يقسمون القوة إلى مساهمات تقريبية أكثر قابلية للإدارة ، ويطلبون تلك المساهمات من الأكثر أهمية إلى الأقل أهمية ، ثم يتجاهلون ببساطة المساهمات الأقل أهمية. مع القوة القوية ، لم يتمكنوا من فعل ذلك.

ثم في عام 1990 ، وجد ستيفن واينبرغ طريقة لربط عالم الكواركات والغلونات بالنواة اللزجة. كانت الحيلة هي استخدام نظرية مجال فعالة – وهي نظرية مفصلة فقط بالقدر المطلوب لوصف الطبيعة بحجم معين (أو مقياس طاقة). لوصف سلوك النواة ، لا تحتاج إلى معرفة الكواركات والغلوونات. بدلاً من ذلك ، في هذه المستويات ، تظهر قوة فعالة جديدة – القوة النووية القوية ، التي تنتقل بين النكليونات عن طريق تبادل البيونات.