فیزیك هسته‌ای

پیشرفت‌های حاصل در فهم بنیادی ویژگی‌های اجزای تشكیل دهنده‌ی هسته و نیروهایی كه آن‌ها را در كنار یكدیگر نگه می‌دارد، همراه با بهبود توانایی‌های تجربی، روح تازه‌ای به این رشته دمیده است. وجوه اشتراك فزاینده‌ی میان فیزیك هسته‌ای و سایر شاخه‌های نزدیك به آن، مخصوصاً فیزیك ذرات، اختر فیزیك، و فیزیك اتمی، وسعت و تنوع جدیدی به مسائل مورد علاقه‌ی فیزیكدان‌های هسته‌ای بخشیده است. در مطالعه‌ی ساختار هسته به كمك پراكندگی دقیق الكترون، معلوم شده است كه اجزای تشكیل دهنده‌ی هسته درست همان خواص نوكلئونهای آزاد را ندارند. درك این پدیده‌ها برحسب ویژگی‌های محیط هسته‌ای، عرصه‌ی مهمی را در كنكاش‌های آینده پیش روی ما می‌گذارد. در زمینه‌ی دیگری از مطالعات ساختار هسته، بررسی‌های به عمل آمده برای پی بردن به این موضوع كه چگونه هسته‌ها خود را با گشتاورهای زاویه‌ای خیلی بالا سازگار می‌سازند، چارچوبی را به وجود آورده است كه در آن می‌توان جفت‌شدگی میان درجات آزادی ذره-منفرد و جمعی را در هسته مطالعه كرد. طی جند سال گذشته، متخصصان فیزیك ذرات نشان داده‌اند كه نوكلئون‌ها ذرات مركبی هستند كه از كوارك‌ها و گلوئون‌ها تشكیل شده‌اند و خواص آن‌ها را می‌توان به خوبی توسط یك نظریه‌ی برهم‌كنش قوی موسوم به كرمودینامیك كوانتومی (QCD) توصیف كرد. این روش توصیف موفق نوكلئون‌ها، منجر به حدس‌های نظری زیادی شده است كه آیا برخوردهای یون‌های سنگین نسبیتی می‌تواند، برای لحظه‌ای كوتاه، به‌طور كیفی شكل جدیدی از ماده‌ی هسته‌ای به وجود آورد كه در آن دما و چگالی به اندازه‌ی كافی بالا باشد كه باعث تجزیه‌ی نوكلئون شود و پلاسمایی از كواركها و گلوئون‌ها را در فضایی به حجم چند صد فرمی مكعب پدید آورد؟ در حال حاضر در آزمایشگاه ملی بروكهاون پروژه‌ای در دست اجراست تا با اتصال شتاب‌دهنده‌ی دو پشته‌ی واندوگراف به سینكروترون با شیب متغیر باریكه‌هایی با انرژی GeV15 بر نوكلئون، از یون‌های O16 و S32 تهیه كنند. انتظار می‌رود این باریكه‌ها تا اواخر سال 1986 آماده شوند؛ در این صورت، به همراه باریكه‌هایی با انرژی GeV200 بر نوكلئون از O16 كه از پروژه‌ی مشابهی با استفاده از تسهیلات SPS سرن انتظار آن می‌رود، نخستین آزمون‌های ایده‌های فوق جامه‌ی عمل خواهند پوشید. به موازات این فعالیت‌ها، كارهای تجربی و نظری زیادی با استفاده از داده‌های حاصل از شتاب‌دهنده‌های آزمایشگاه لاورنس در بركلی برای تعیین پارامترهای مهم معادله‌ی حالت ماده‌ی هسته‌ای ادامه داشته است. از هنگام ابداع و تأیید به اصطلاح مدل استاندارد برای توصیف نیروهای الكتروضعیف و قوی هسته‌ای، فعالیت‌های فزاینده‌ای در هر دو حوزه‌ی فیزیك ذرات و فیزیك هسته‌ای برای جستجوی تناقض‌هایی در پیش بینی‌های مدل استاندارد به عنوان راهی در جهت فهم بهتر نیروهای طبیعت در سطحی خیلی بنیادیتر وجود داشته است. در فیزیك هسته‌ای، بیشتر این فعالیت‌ها پیرامون اندازه‌گیری خواص نوترینو، از جمله پراكندگی نوترینو، اندازه‌گیری جرم نوترینوها و جستجوی نوسان‌های احتمالی آن متمركز بوده است. یكی از پیشرفت‌های عمده در این زمینه عبارت بوده است از برپایی تسهیلات جدیدی برای پراكندگی نوترینو در تسهیلات فیزیك مزونی لوس‌آلاموس (LAMPF)، و نخستین اندازه‌گیری پراكندگی نوترینوهای الكترونی از الكترون. داده‌های اولیه، وجود یكجمله‌یپیش‌بینی شده‌ی تداخلی را در پراكندگی اثبات كرده است، كه این با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد سازگار بوده و در نتیجه موفقیت چشمگیر دیگری را برای این مدل به‌دست داده است. در زمینه‌ی مشترك دیگری، فیزیك‌دان‌های هسته‌ای و اتمی در جستجوی منبع پوزیترون‌هایی بوده‌اند كه از میدان‌های الكتریكی ابر بحرانی، قابل تولید در اتمی با عدد اتمی بزرگتر از 173، انتظار آن‌ها می‌رفته است. این پوزیترون‌ها در برخوردهای میان باریكه‌ها و هدف‌های آكتینیدی، با استفاده از شتاب‌دهنده‌ی یون‌های سنگین در آزمایشگاه مركز پژوهشی یون‌های سنگین (GSI) در آلمان غربی، شناسایی شده‌اند. در این آزمایش‌ها، خطوط كاملا واضح و غیر منتظره‌ی پوزیترون‌ها پیدا شده‌اند. حدسیات پیرامون سرمنشأ این خطوط، به تفاوت، از فرض وجود مولكول‌های هسته‌ای با طول عمر زیاد، تا یك ذره‌ی غیر منتظره، یا آثار ممكن جدیدی در الكترودینامیك كوانتومی، صحبت به میان می‌آورند. هیچ یك از این حدسیات بدون ناسازگاری نیست، اما وجود تجربی این خطوط مسلم به نظر می‌رسد. این‌ها فقط نمونه‌های معدودی از خط مقدم فعالیت های جاری در فیزیك هسته‌ای است. جزئیات بیشتر را می‌توان در گزارش‌های زیر ملاحظه كرد.
تابع پاسخ دینامیك هسته‌ای
حركت و ساختار نوكلئون‌های داخل هسته‌ها را می‌توان با استفاده از پراكندگی الكترون مطالعه كرد. سطح مقطع پراكندگی برای الكترون های انرژی-متوسط از چندین هسته‌ی سبك است. داده‌ها در آزمایشگاه MIT Bates با استفاده از یك الكترونی MeV730، ثبت شده‌اند. انتقال انرژی نوعی (تقریباً 100 تا MeV400) خیلی بیش از انرژی لازم برای بیرون انداختن نوكلئون هاست و در واقع برای برانگیزش نوكلئون به یك وضعیت تشدیدی موسوم به حالت ? كافی است. انتقال تكانه‌ی (اندازه حركت) نوعی (تقریباً 500 MeV?c ) در مقایسه با تكانه‌ی متوسط نوكلئون در داخل هدف زیاد است. تحت این شرایط شدیداً ناكشسان، پیش‌بینی ما این است كه تابع پاسخ هسته‌ای، تحت سلطه‌ی پراكندگی شبه آزاد از تك تك نوكلئون‌ها خواهد بود. این تصویر ساده از واكنش، با ظهور دو ساختار پهن در شكل1 كه، به ترتیب، در حول و حوش اتلاف انرژی متناسب با پراكندگی كشسان الكترون-نوكلئون و برانگیزش در فضای آزاد است، تأیید می‌شود. جامعیت تابع پاسخ تأیید دیگری است برایده‌ی ساده‌ی فرایند مسلط ذره-منفرد. در نتیجه، اكنون ما می‌توانیم به تحلیل دقیقتری از شكل و بزرگی قله‌ها بپردازیم و مطالبی پیرامون توزیع تكانه‌ی هسته‌ای و تغییر ساختار هادرونی ناشی از برهم كنش با همسایگان، در محیط هسته‌ای، بیاموزیم. محل و پهنای قله‌ی شبه كشسان را می‌توان به خوبی بر حسب پتانسیل متوسط هسته ای توجیه كرد. اولاً، محل قله، در اتلاف انرژی تقریباً MeV20 بیش از آنچه كه برای یك پروتون آزاد ساكن انتظار می‌رود، قدرت پتانسیل بستگی هسته‌ای را مشخص می‌كند. ثانیاً، پهنای قله‌ی شبه كشسان راه مستقیمی برای اندازه‌گیری تكانه‌ی فرمی هسته‌ای، تكانه‌ی نوكلئون‌ها در داخل هسته، به دست می‌دهد.
آن قسمت از پراكندگی كه مربوط به پراكندگی الكترون از بار الكتریكی یك نوكلئون است را می‌توان جدا ساخت، و این به شگفتی عمده‌ای انجامیده است. فقط 3/2 از قدرت پراكندگی قابل انتظار به طور تجربی به دست می‌آید. این مخصوصاً از آن جهت شگفت‌انگیز است كه قدرت كل برای پراكندگی بار، در صورتی كه دینامیك داخلی نوكلئون تأثیری نداشته باشد، توسط سطح مقطع اندازه گرفته شده‌ی الكترون-پروتون (با تصحیحاتی اندك) و بار هسته‌ای كا داده می‌شود. امكان اینكه نتیجه چیزی جز این باشد شگفت‌انگیز است. می‌توان چنین نتیجه گرفت كه برهم‌كنس میان درجات آزادی نوكلئون و هسته كه توسط اثر EMC آشكار می‌شود ممكن است در پدیده‌های انرژی-پایین نقشی مهمتر از آنچه كه تاكنون تصور می‌شده است داشته باشد. اثر EMC، كه نخستین بار با استفاده از باریكه‌های میونی با انرژی‌های خیلی بالا در آزمایشگاه سرن در ژنو ملاحظه شد. مشاهده‌ی تجربی این موضوع است كه توزیع‌های تكانه‌ی كوارك در هسته‌ها تغییر می‌كنند. مخصوصاً، این تغییر به گونه‌ای كه به نظر می‌رسد در نواحی با چگالی هسته‌ای بالاتر، مقیاس محبوس سازی كوارك‌ها بسیار بیشتر است. با مطالعه‌ی انرژی و توزیع زاویه‌ای نوكلئون‌های گسیل شده به ازای انتقال تكانه و انرژی ثابت، اندازه‌گیری‌های جدید باید مشخص كنند كه چه فرایندهایی عامل اصلی در این كاهش قدرت هستند. قله‌ی دوم مربوط به برانگیزش حالت‌های ? است. ملاحظه می‌كنیم كه پاسخ هسته‌ای برای هسته‌های با عدد جرمی بزرگتر از 4 تقریباً یكسان است. ولی با پاسخ یك پروتون آزاد بسیار متفاوت است. قله، در اتلاف انرژیی كمتر از آنچه كه برای یك پروتون آزاد به‌دست می‌آید رخ می‌دهد، كه دلیلی است بر اینكه پتانسیلی كه ? در معرض آن است ضعیفتر از پتانسیلی است كه نوكلئون در آن قرار می‌گیرد. كانون كارهای جاری بر فهم چگونگی برهم‌كنش ? با سایر نوكلئون‌ها یا خوشه‌هایی از نوكلئون‌ها در هسته است. این گونه سؤال‌ها پیرامون برهم‌كنش میان درجات آزادی نوكلئون و هسته، برای توسعه بخشیدن به درك ما از نیروی هسته‌ای با برد متوسط و برد كوتاه، هم تحت شرایط عادی و هم در ماده‌ی چگال، اهمیت فراوان دارد.
معادله‌ی حالت هسته
برخوردهای بین یون‌های سنگین انرژی بالا، فرصت منحصر به فردی را برای كاوش خواص ماده‌ی هسته‌ای در چگالی‌ها و دماهای فوق‌العاده بالا، كه ممكن است در آن اشكال جدید و غریبی از ماده‌ی هادرونی وجود داشته باشد، به دست می‌دهد. دانستن معادله‌ی حالت هسته، علاوه بر آنكه به خودی خود جالب است، در فهم اجزایی از جهان كه از نظر زمانی و مكانی خیلی دور هستند، نظیر مهبانگ، انفجارهای ابر نواخترها، و داخل ستاره‌های نوترونی، اهمیت فراوان دارد. بررسی مستقیم معادله‌ی حالت هسته اخیراً با دست‌یابی به باریكه‌های هسته‌های سنگین با انرژی‌هایی تا GeV1 بر نوكلئون در بر كلی آغاز شده است. این هسته‌ها آنقدر سریع‌اند كه نوكلئون‌هایی كه در برخورد شركت می‌كنند نمی‌توانند از حجم برهم‌كنش رهایی یابند-لذا این نوكلئون‌ها انباشته می‌شوند و محیط هسته‌ای شدیداً برانگیخته و متراكم می‌شود. فشار بالای تولید شده در یك رویداد برخورد، متعاقباً منجر به انبساط سریع ماده‌ی هسته‌ای می‌شود و تعداد زیادی پیون، نوكلئون، و هسته‌های سبك تولید می‌كند. با استفاده از توزیع این ذرات گسیل شده می‌توان ویژگی‌های ماده‌ی داغ و چگال اولیه را تشخیص داد. آثار مشاهده‌پذیر تراكم عبارت‌اند از شارش جمعی جانبی و بستگی تعداد پیون تولید شده به انرژی تراكم هسته‌ای كه به‌طور نظری توسط دینامیك سیالات هسته‌ای پیش‌بینی می‌شود. این هر دو اثر نتیجه‌ی ایجاد فشار بالاست، كه موجب انتقال تكانه‌ی عرضی بزرگ و تغییر در دمای دستگاه می‌شود. اخیراً هر دو اثر یاد شده به‌طور تجربی در قالب دو همكاری میان آزمایشگاه GSI در آلمان غربی و آزمایشگاه LBL در بركلی مشاهده شده‌اند. نخستین گروه، یك سیستم آشكار ساز الكترونیكی جدید برای ذرات مختلف به نام توپ پلاستیكی ابداع كرده است، كه تعیین همزمان تعداد كل ذرات گسیل شده در یك رویداد برخورد خاص، و نیز انرژی هریك از آن‌ها را ممكن می‌سازد؛ به این ترتیب بازسازی كامل رویدادها میسر می‌شود. كار مشترك GSI/LBL، تفاوت خیره كننده‌ای را میان برخوردهای تقریباً مركزی (رویدادهای با تعداد زیاد ذرات تولید شده) و واكنش‌های با پارامترهای برخورد بزرگتر (تعداد كمتری ذرات بیرون رونده) نشان داده است. یك طیف واضح گسیل جانبی برای رویدادهای از نوع اول در سیستم Nb+Nb دیده شده است، و حال آنكه واكنش‌های كمتر مركزی منجر به توزیع‌های زاویه‌ایی می‌شوند كه دارای قله‌هایی در زوایای جلو هستند. نتایج كاملاً مشابهی در یك آزمایش با اتاقك شارشی برای واكنش +Pb(8/0GeV بر نوكلئون)Ar به دست آمده است. مطالعات جدیدتری نیز با استفاده از برخوردهای طلا با طلا صورت گرفته و معلوم شده است كه در این سیستم، آثار شارش جمعی باز هم قویتر است. این آزمایش‌های پیشتاز، بر رفتار شاره گونه‌ی جمعی، كه شازوكار كلیدی آفرینش و مطالعه‌ی ماده‌ی چگالی و داغ در برخوردهای هسته‌ای انرژی – بالاست، مهر تأیید می‌زنند. این داده‌ها، هر نظریه‌ی میكروسكوپیكی را به مبارزه می‌طلبند: روش آبشاری، پتانسیل دافعه‌ی تراكم را نادیده می‌گیرد و فرض می‌كند كه برخوردهای هسته‌ای از طریق یك رشته برخوردهای مستقل نوكلئون-نوكلئون در فضای آزاد صورت می‌گیرند. حتی در برخوردهای مركزی، این روش پیش‌بینی می‌كند توزیع زاویه‌ای باید دارای قله‌هایی در زوایای جلو باشد، كه داده‌ها خلاف آن را نشان می‌دهند. اخیراً یك نظریه‌ی میكروسكوپیكی درباره‌ی واكنش‌های یون‌های سنگین ابداع شده است كه یك معادله‌ی حالت سخت ( معادله‌ای با یك ثابت تراكم بالا) را به كار می‌گیرد و این امر زوایای شارش جانبی بزرگ را كه در آزمایش مشاهده شده‌اند توجیه می‌كند. شاهد دیگری بر معادله‌ی حالت سخت از یك تحلیل تكانه‌ای بدیع كه برای سیستم Ar+KCI در انرژی GeV8/1 بر نوكلئون صورت گرفته است، سرچشمه می‌گیرد. تأیید بیشتر برای یك معادله‌ی حالت سخت، از تعداد پیون‌های تولید شده كه رویداد-به-رویداد در اتاقك شارشی برای برخوردهای تقریباً مركزی KCI(8/1تا4/0GeV نوكلئون)Ar بر اندازه گرفته شده اند، نشأت می‌گیرد. تعداد پیون تولیدی محاسبه شده از مدل آبشاری (كه پتانسیل تراكم را نادیده می‌گیرد) خیلی بیش از داده‌های تجربی است. حدس زده می‌شود كه تفاوت میان تعداد پیون تولیدی اندازه گرفته شده و مقادیر محاسبه شده از مدل آبشاری، ناشی از نادیده گرفتن ناگزیر انرژی تراكم در روش آبشاری است، و لذا ممكن است بتوان با استفاده از این اختلاف، معادله‌ی حالت هسته را در چگالی‌های بالا به دست آورد. در واقع، معادله‌ی حالت هسته كه از این اختلاف به‌دست می‌آید در محدوده‌ی چگالی‌های دسترس‌پذیر در آزمایش، سریعاً افزایش می‌یابد. باردیگر، مقایسه‌ی با نظریه‌ی میكروسكوپیك، نیاز به معادله‌ی حالت سخت را اثبات می‌كند. پیشرفت‌های زیادی در هر دو زمینه‌ی تجربی و نظری پیرامون روش‌های مطالعه‌ی برخوردهای یون‌های سنگین نسبیتی به عمل آمده است. با نخستین نگاه اجمالی به معادله‌ی حالت هسته، به نظر می‌رسد كه تراكم ناپذیری‌های بزرگ خیره كننده‌ای در چگالی‌های تقریباً 204 برابر چگالی حالت پایه وجود داشته باشد. در دهه‌ی آینده، هنگامی كه با استفاده از شتاب‌دهنده‌های سرن و بروكهاون به انرژی‌های فرانسبیتی دست پیدا كنیم، با مشكلات بزرگتر از این‌ها هم روبه‌رو خواهیم شد.
پراكندگی نوترینو- الكترون
نظریه‌های جاری و پرطرفدار درباره‌ی نیروهای بنیادی، نظریه‌های پیمانه‌ای‌اند. در این نظریه‌ها، نیروهای گرانشی، الكترومغناطیسی، و همچنین نیروهای قوی و ضعیف هسته‌ای كه بین فرمیونها عمل می‌كنند، توسط تبادل بوزون‌ها انتقال می‌یابند همین شباهت اساسی در ساختار این نظریه‌هاست كه به طور وسوسه انگیزی پیشنهاد یك توصیف تنها و وحدت یافته را برای این چهار نیرو به پیش می‌كشد. پیشرفت عمده‌ای در وحدت نیروی الكترومغناطیسی و نیروی هسته‌ای ضعیف حاصل گشته است. این نظریه‌ی پیمانه‌ای الكترو ضعیف منتسب به واینبرگ، سلام و گلاشو (WGS) با تبادل چهار بوزون برداری-فوتون، ذرات باردارW (W^-,W^+) ، و Z خنثی مشخص می‌شود. تاكنون برهم كنش‌های ضعیف در واكنش‌هایی كه شامل تبادل بوزون‌های Z وW هستند، و نیز توسط تداخل میان Z و فوتون‌ها مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. اكنون، در آزمایشی كه در تسهیلات فیزیك مزونی لوس‌آلاموس (LAMPF) جریاندارد، شواهد مبنی بر تداخل Z-W+در شرف آشكار شدن‌اند. آزمون مهم دیگر پیرامون نظریه‌ی WGS، با پراكندگی كشسان نوترینوهای الكترونی توسط الكترون‌ها، v_e e-e، صورت می‌گیرد. پراكندگی vee از طریق جریان‌های ضعیف باردار و خنثی-تبادل بوزون‌های W+وZ0هر دو-رخ می‌دهد، و لذا نسبت به تداخل آن‌ها حساس است؛ نظریه‌ی WGS، تقریباً یك كاهش 40 درصدی را در سطح مقطع كشسان كل پیش‌بینی می‌كند. با استفاده از یك باریكه‌ی شدید v_e (با انرژی‌های تا MeV53) از متوقف كننده‌ی باریكه‌ی پروتونی LAMPE، دانشگاه كالیفرنیا در ایروین، آزمایشگاه لوس آلاموس، و دانشگاه مریلند با همكاری یكدیگر نخستین مشاهده‌ی تجربی پراكندگی v_e انجام داده‌اند.
رویدادهای پراكندگی نوترینو-الكترون به صورت مسیرهای منفرد پس‌زنش الكترون در یك آشكارساز15 تنی كه در نزدیكی متوقف كننده‌ی باریكه قرار گرفته است، ظاهر می‌شوند. انتظار می‌رود كه این رویدادها در یك مخروط 16 درجه‌ای در حول امتداد نوترینو‌ی فرودی متمركز باشند، و در واقع نیز توزیع زاویه‌ای مشاهده شده، یك قله‌ی بارز را در زوایای جلو نشان می‌دهد. آهنگ اندازه گرفته شده، حتی با شتاب‌دهنده‌ی LAMPFكه باریكه‌ای از پروتون تا mA1 را تولید می‌كند، فقط تقریباً هر 2 روز یك رویداد است. پس از 6 ماه مطالعه، آزمایشكاران 15+51 رویداد را برای پراكندگی v_e e گزارش كرده‌اند. این نتیجه با پیش‌بینی 8+53 رویداد توسط نظریه‌ی WGSسازگار است. آزمایش یاد شده، با قصد افزایش قابل توجه تعداد رویدادهای v_e e، در نتیجه بیان قاطعی پیرامون تداخل Z-W+ادامه دارد.
قله‌های بی‌هنجار پوزیترون در سیستم‌های برخورد كننده‌یسنگین
در موارد بسیار در گذشته، توانایی ما در ایجاد شرایط خاصی در آزمایشگاه منتهی به اطلاعات منحصر به فردی پیرامون ساختار ماده شده است. با برخورد پرتابه‌های سنگینی نظیر Thو U با اتم‌های Th ، Uو Cm در انرژی‌هایی كه بتواند این ذرات را به تماس با یكدیگر در آورد، چنین موقعیت‌هایی بالقوه ایجاد می‌شود. در مدت زمان كوتاهی كه دو هسته نزدیك یكدیگرند. كل بارهای هسته‌ای ممكن است مغزی مركزی شبه اتمی را به وجود آورند كه محیط اتمی قابل انتظار در یك اتم ابر سنگین با عدد اتمی تا 188 را ایجاد كند. علت توجه خاص به این گونه سیستم‌ها، وجود میدان‌های الكتریكی با شدت‌های فوق‌العاده زیاد است كه داخلترین الكترون‌ها لایه‌ی K در شبه اتم یاد شده را با انرژی بیش از دو برابر انرژی سكون الكترون (mc22) به قید می‌كشد و به این ترتیب، آزمودن این عقیده‌ی بنیادی در نظریه‌ی كوانتومی میدان‌ها كه پوزیترون می‌تواند در میدان‌های ایستای قوی خارجی خود به خود از خلأ زاده شود را ممكن می‌سازد.
به بیان روشنتر، سرچشمه‌ی ناپایداری در خلأ الكترون پوزیترون را می‌توان به صورت تغییری در سرشت حالت مقید الكترون، هنگامی كه انرژی بستگی آستانه‌ی 2mc2 فراتر می‌رود، در نظرگرفت. هنگام عبور از این مرز، حالت مقید تبدیل به یك تشدید می‌شود و حالت واپاشنده‌ای را به وجود می‌آورد كه سرآغاز ناپایداری است. از ملاحظات انرژی می‌توان نشان داد كه اگر حالت‌های لایه‌ی K اشعال نشده باشند، خلأ آن‌ها را با ایجاد زوج پر می‌كند و به این ترتیب خود به خود پوزیترون مربوط به زوج را گسیل می‌دارد. بنابراین، در الكترودینامیك كوانتومی (QED) پیش‌بینی می‌شود كه خلأ خنثی (بار لخت هسته‌ای به صورت یك ناظر در نظر گرفته می‌شود) در میدان‌های الكتریكی ابر بحرانی جرقه بزند و پوزیترون‌های حاصل، انرژی جنبشیی مساوی با مازاد انرژی بستگی لایه‌ی K از 2mc2را حمل كنند. خلأ باردار حاصل، حالت پایه‌ی جدید QED در میدان‌های ابر بحرانی است. امكان آنكه این فرایند واقعاً مشاهده شده باشد، اخیراًبا كشف مهم قله‌های پوزیترون باریك گسیل شده در سیستم‌های برخورد كننده‌ی ابر بحرانی در انرژی‌های بمباران نزدیك به سد كولنی، افزایش یافته است. باید تأكید كرد كه با مشاهده‌ی این قله‌ها، علاوه بر امكان ارتباط آن‌ها با گسیل خود به خودی پوزیترون، به دلایلی كلی توجه بسیار زیادی را برانگیخته است زیرا صرف پیدا شدن چنین ساختارهای باریك و انرژی-پایین پوزیترون، به سهم خود بی هنجار است و به توضیح نامتداولی احتیاج دارد كه احتمالاً در بردارنده‌ی چشمه‌ای است كه قبلاً آشكار نشده است. اگر این قله‌های باریك در واقع مشخصاً در ارتباط با گسیل خود به خودی پوزیترون باشند، در این صورت این موضوع جالب پیش می‌آید كه نوعی سیستم با طول عمر زیاد تشكیل می‌شود و این سیستم سرمنشأ میدان ابر بحرانی است.
در این ارتباط، گراینر و همكارانش نشان داده‌اند كه ظهور قله‌ی پوزیترون در سیستم برخورد كننده‌ی U+Cm، انرژی و شدت آن، همه، را می توان با پیشنهاد تشكیل یك سیستم خیلی بزرگ دو هسته‌ای فراپایدار (با عمر تقریبی ?10?^(-19) s) با باركل z_u=188 در كسر كوچكی (1/0%) از برخوردهای نزدیك، توجیه كرد. سازوكار توصیف این پیكربندی شبه مولكولی هسته ای به این صورت است كه اجزای برخورد كننده در حفره‌ای كه در پتانسیل كولنی توسط نیروهای هسته ای تشكیل می‌شود به دام می‌افتند. بنابراین، طیف های خطی پوزیترون ممكن است به منبع اطلاعاتی منحصر به فردی درباره‌ی گونه‌های غریب هسته‌ای با جرم‌هایی خیلی بیش از جرم هر هسته‌ی مركبی كه تا به امروز تشكیل شده است، تبدیل شوند.
با این همه، وقتی مقایسه‌ی با آزمایش را به سایر سیستم‌های برخورد كننده تعمیم می‌دهیم، این پیشنهاد مواجه با اشكالاتی می‌شود. یك ویژگی مخصوصاً متمایز این مدل، مقیاس بندی قابل توجه ?z_u?^20 برای انرژی‌های قله در مورد سیستم‌هایی با توزیع‌های بار هسته‌ای و حالت‌های یونشی مشابه است. این پیش‌بینی برای بارهای ابر بحرانی در گستره‌ی 180 تا188 آزموده شده است. بر خلاف یك ضریب 3 كه از مقیاس بندی ?z_u?^20 (z به توان 20) انتظار می‌رود، در انرژی قله‌ها یك تساوی تقریبی دیده شده است. این نتایج را فقط در تصویر گسیل خود به خود پوزیترون در وضعیت بعیدی كه در آن پیكر بندی های بار هسته‌ای و حالت‌های یونشی كاملاً متفاوتی ا به سیستم‌های مركب نسبت می‌دهند (با z_u های اتفاقی به گونه‌ای كه یك انرژی بستگی ثابت لایه‌ی K را حفظ كنند) می‌توان توجیه كرد. اكنون این سؤال پیش می‌آید كه آیا این قله‌هادر سیستم‌هایی كه در آن‌ها انتظار بستگی ابر بحرانی نمی‌رود نیز رخ می‌دهند یا خیر. با دنبال كردن این سؤال در سیستم Th+Ta با z_u=163، كه كاملاً زیر آستانه‌ی گسیل خود به خودی پوزیترون، z_u=173، برای چگالی متعارف هسته‌ای است، یك گروه (آزمایشكار)، قله‌ای را تقریباً با همان مشخصاتی كه در سیستم‌های ابر بحرانی یافت می‌شود، مشاهده كرده است. تحلیل‌های اخیر ظاهراً حكایت از این می‌كند كه بخش اعظم شدت قله نمی‌تواند مربوط به یك گذار هسته‌ای باشد. اگر پس از بررسی‌های دقیقتر باز هم این نتیجه گیری درست باشد، تولید خودبهخودی پوزیترون به عنوان یك منشأ احتمالی برای تمام قله‌ها بشدت رد می‌شود. در توجیه ویژگی برجسته‌ی یك انرژی قله‌ی مشترك، این پیش‌بینی مطرح شده است كه قله‌ها ممكن است از واپاشی دو-جسمی ذره‌ی خنثایی كه در برخوردها تولید شده ولی قبلاً آشكارسازی نشده است منشأ بگیرند. یك سیگنال واضح برای وجود چنین ذره‌ی خنثایی می‌تواند توسط یك الكترون تك انرژی حاصل از واپاشی ذره به e^++e^- و نیز یك انرژی كل آزمایشگاهی خیلی مشخص برای زوج فراهم شود. آفرینش زوج‌های ذرات باردار نیز امكان دیگری است كه باید آن را در نظر گرفت. آزمایشی كه هر دوی این پیش بینی‌ها را بررسی می‌كند اكنون در GSI، دارمشتارت، آلمان غربی، در حال انجام است.
بعضی رفتارهای جدید در اسپین‌های بالا
در یكی دو سال گذشته نظرهای جدیدی در فیزیك هسته‌ای اسپین‌های بالا اظهار شده است. علت این امر پیدا شدن یك روش نظری كه خوشبختانه تا حدودی دارای قدرت واقعی پیش‌بینی است، و نیز برخی پیشرفت‌های تجربی بوده است. این روش، نیروهای كوریولی و گریز از مركز را با دوران (چرخاندن) یك پتانسیل مدل لایه‌ای در حول یكی از محورهایش، وارد سیستم هسته‌ای می‌كند. تغییر بسامد چرخش، گستره‌ای از حالت‌های با گشتاورهای زاویه‌ای متفاوت (اسپین) را تولید می‌كند، درست همان گونه كه تغییر دادن تراز فرمی در پتانسیل، گستره‌ای از هسته‌های با تعداد مختلف نوكلئون را تولید می‌نماید. از نظر تجربی، فیزیك اسپین‌های بالا مبتنی بر طیف نگاری پرتوهای گاما است و در حال حاضر آرایه‌های بزرگی از آشكار سازهای ژرمانیوم( كه اثر كامپتون در آن‌ها مهار شده است) با قدرت تفكیك بالا در دست ساختمان است. این آشكار سازها را در اطراف توپهایی بنا می‌كنند با قدرت تفكیك پایین كه كاملاً تنگاتنگ هم قرار گرفته‌اند و اصولاً تك تك 20-30 پرتوی گامای گسیل شده در واانگیزش یك حالت اسپین – بالا را آشكار می‌كنند. این پیشرفت تجربی در آزمایشگاه دارزبری در انگلستان به وقوع پیوسته است، و مطالعات در اسپین‌های حدود 40 در هسته‌های خاك‌های نادر را، كه در آن‌ها دگرگونی‌های رفتاری جالبی رخ می‌دهد، امكان‌پذیر می‌سازد. در این‌جا سه ایده‌ی جدید را كه از این مطالعات نشأت می‌گیرد توصیف می‌كنیم. یكی از چندین تغییر مهمی كه بر اثر لفزایش اسپین در هسته‌ها رخ می‌دهد، با تزویج در ارتباط است. زوج‌های نوكلئون‌های مشابه سعی می‌كنند كه در مدارهای زمان- معكوس با یكدیگر جفت شوند و اسپین كل صفر را بدهند. گاهی اوقات تعدادی از این زوج‌های با اسپین صفر به گونه‌ی همدوسی موسوم به همبستگی‌های تزویجی خیلی شبیه به ابر رسانا‌ها و ابر شاره‌ها، از یك مدار به مدار دیگر پراكنده می‌شوند. ابر شارگی هسته‌ای نه تنها با دما ( شبیه مانسته‌های ماكروسكوپیك آن) بلكه با گشتاور زاویه‌ای، كه مستلزم باز جفتیدگی زوج‌ها به اسپینی بزرگتر از صفر است، فرو نشانده می‌شود. تزویج هسته‌ای شكننده است – مبتنی بر فقط 6 یا 8 نوكلئون از هر نوع – و نمی‌تواند در تكانه‌های زاویه‌ای بالا دوام آورد. در ناحیه‌ی چرخشی هسته‌های خاك‌های نادر، انتظار می‌رود كه همبستگی‌های تزویجی نوترون وقتی اسپین به 40 می‌رسد از میان برود، و تجربه نیز نشان می‌دهد كه بخش اعظم این همبستگی از میان می‌رود. با این همه، باز هم مشاهده می‌شود كه تعداد حالت‌هایی كه در آن‌ها جفت شدگی بعضی از زوج‌های نوترون با اشپین صفر است، بیش از تعداد حالت‌های با سایر جفت شدگی‌ها برای این نوترون‌هاست. این نشانه‌ی آن است كه بعضی از آثار تزویج هنوز باقی است و اكنون پیشنهاد شده است كه همبستگی‌های تزویجی (كه مربوط به چرخش‌هادر فضای پیمانه‌ای‌اند) پایان نمی‌یابند بلكه در عوض تبدیل به افت و خیزهای تزویجی (ارتعاش‌هایی در فضای پیمانه‌ای) می‌شوند. این افت و خیزها نیز باید با افزایش گشتاور زاویه‌ای از میان بروند, ولی آهسته‌تر, تا با تجربه سازگارتر باشند. یک سؤال اساسی این است که نوکلئون‌ها برای تولید یک اسپین بالا چگونه با هم جفت می‌شوند؟ دومین پیشرفت جدید پاسخ به این سؤال را در مورد تعدادی نوکلئون واقع در خارج یک لایه‌ی بسته, (نوکلئون‌های ظرفیت) تا حدودی روشن می‌سازد. محاسبه و تجربه در این امر توافق دارند که تعدادی کافی از نوکلئون‌های ظرفیت از هر نوع ( هم ÷روتون‌ها و هم نوترون‌ها) ترجیحاً یک هسته‌ی کشیده‌ی با چرخش جمعی را به وجود می‌آورند, و حال آنکه اگر این مقدار کافی نباشد, نتیجه‌ی امر هسته‌ای است به شکل پخت (یا, اگر اسپین پایین باشد, کروی) و یک رفتار غیر جمعی که در آن گشتاورهای زاویه‌ای ذرات جدای از هم جهت می‌گیرند. وضعیت جالبی در مرز میان این دو ناحیه رخ می‌دهد, جایی که در آن نوارهای پایانه‌دار می‌توانند وجود داشته باشند, که در آن‌ها اسپین‌های پایینتر به صورت جمعی می‌چرخند, اما به‌تدریج فشار برای حصول گشتاور زاویه‌ای بیشتر نوکلئون‌های ظرفیت را به حد غیر جمعی پخت می‌راند و نوار پایانمی‌یابد. این گونه نوارها در هسته‌های سبک دیده شده‌اند؛ مثال کلاسیک در این زمینه Ne است, که در آن نوار در اسپین 8 پایان می‌یابد. محاسبات اخیر ابتدا حاکی از آن بود که رفتار مشابهی ممکن است در هسته‌های خیلی سنگینتر نیز قابل مشاهده باشد. نخستین مثال تجربی نسبتا روشن Er است, که اخیراً معلوم شده است تا اسپین 30, کشیده و جمعی است, و پس از آن دنباله‌ای نامنظم, اما ظاهراً تا حدودی جمعی, از ترازها تا یک حالت غیر جمعی در اسپین 42 ادامه می‌یابد, و به احتمال قوی پایانه‌ی نوار پیش‌بینی شده‌ای دارد که در آن تمامی 10 نوکلئون ظرفیت کاملاً هم جهت‌اند. در هسته‌ی مجاور Er,، دنباله‌ی مشابهی دیده می‌شود که در اسپین 46 پایان می‌یابد (تمامی 12 نوکلئون ظرفیت آن، هم جهت‌اند). اینکه تا چه حد تصویر نوار پایانه‌دار می‌تواند این دنباله‌ها را توصیف کند در آینده معلوم خواهد شد، اما به نظر می‌رسد که لااقل حالت‌های پایانه‌دار با جهتگیری کامل تا حدود زیادی مطابق با محاسبات رخ می‌دهند. ایده‌ی سوم, تازه دارد فرمولبندی می‌شود اما دارای پیامدهای مهیجی است. اغلب کارهای انجالم شده در زمینه‌ی اسپین‌های بالا تاکنون، شامل تفکیک تک تک پرتوهای گاما، ساختن طرح وارهای تراز از آن‌ها، و تفسیر این طرح وارها بوده است. این روش برای اسپین‌های تا 30 یا 40 کارساز است، جایی که بیشتر جمعیت حاصل از یک واکنش هسته‌ای، به پایین‌ترین حالت‌های (سرد) معدود هر اسپین چگالیده می‌شود. با این همه، در اسپین‌های بالاتر، تقریباً تمامی جمعیت از تعداد زیادی حالت‌های شدیداً برانگیخته (داغ) می گذرند که در آن‌ها چگالی تراز کلی بالاست. تک تک پرتوهای گامای حاصل از این ناحیه را نمی‌توان تفکیک کرد، اما ویپگی‌های کلی آنها را می‌توان مطالعه کرد، مثلاً این نکته معلوم شده است که این پرتوها اکثراض از گذارهای نوع چرخشی‌اند. بنابراین اخیراً توجه به فهم این مطلب معطوف شده است که بر اثر بر هم نهش یک نوار چرخشی با چگالی بالایی از ترازهای دیگر، که تک تک اعضای نوار باید با آن‌ها مخلوط شوند، چه رخ می‌دهد. نتیجه‌ای که اخیراً به آن پی برده‌اند این است که همبستگی‌های معمولاً قوی میان انرپی‌های پرتو گاما در یک دنباله‌ی چرخشی، باید ضعیفتر باشند، و این چیزی است که با برخی از مشاهدات تجربی اخیر در توافق عالی است. برای پی بردن به اینکه در این آبشار های با اسپین خیلی بالا چه می‌گذرد، هنوز کارهای زیادی باید انجام داد، اما اینکه آمیزش ترازها (میرایی) دارای نقشی باشد، اکنون محتمل به نظر می‌رسد. اینکه شاید ما بتوانیم از مطالعات مربوط به اسپین‌های بالا چیزی راجع به میرایی بیاموزیم، تا حدود یک سال قبل کاملاً بعید به نظر می‌رسید.