بازی نویافته در دنیای هسته ها

خیلی راحت می توان هستة اتم را به صورت توپی کروی در نظر گرفت، که احیانا سطحش اندکی ناهموار است. چندین دهه است که متخصصان فیزیک هسته ای می دانند هسته های ناپایدار یا به شدت برانگیخته، قبل از واپاشی یا بازگشت به یک حالت انرژی پایین تر، شکلی کشیده یا پخ پیدا می کنند. اکنون پژوهشگرانی که رفتار هسته های "شدیدا تغییر شکل یافته" را تحقیق می کنند، دریافته اند که خصوصیات عجیب و غریب این هسته ها بعضی از نظرات جاافتادة ساختار هسته ای را مورد سوال و تردید قرار داده است.
هسته های شدیدا تغییر شکل یافته را پیتر توین و همکارانش در دانشگاه لیورپول در سال 1986 کشف کردند. این پژوهشگران با استفاده از شتاب دهندة ذرات، هسته های عناصر سنگین را به اتم کوفتند و هسته های "مرکب" هم جوشیده ای تولید کردند که گاهی به شدت بی قواره و در عین حال خیلی پایدار بود. بنابر گزارش پژوهشگران لیورپول، طیف گامایی که در پی برخورد این گونه هسته ها گسیل می شود، حاکی از آن است که شکل آن ها آن قدر پخ شده است که به صورت قرص درآمده اند، یا آن قدر کشیده شده که به شکل سیگار برگ درآمده اند.
ویتولد نازارویچ از دانشگاه ورشو که از متخصصان فیزیک هسته ای است و اکنون در آزمایشگاه اوک ریج (در امریکا) روی طرح پژوهشی یون سنگین کار می کند، می گوید طول عمر این هسته های شدیدا تغییر شکل یافته به طور شگفت آوری زیاد است. قاعدتا انتظار می رود که این هسته ها به سرعت انرژی شان را از دست بدهند و به شکل کروی تری درآیند. اما بعضی از هسته-های تغییر شکل یافته ای که توین همکارانش کشف کرده اند، به مدتی طولانی در حالت شدیدا تغییر شکل یافته باقی می-مانند.
بنابر نظریه پردازی های نازارویچ و همکارانش، علت کشیده شدن یا پخ شدن این هسته ها را باید ترکیبی از اثرهای کلاسیکی، مانند نیروهای گریز از مرکز و اثرهای کوانتومی دانست. نازارویچ می گوید مسئله تا حدی به سرعت سرسام آور چرخش هسته های شدیدا تغییر شکل یافته، مربوط می شود که به 1020 دور در ثانیه می رسد. چنین دوران سریعی نیروهایی را تولید می کند که هسته را پخ می کند. این نیروها مشابه نیروهایی است که در مقیاس بسیار کوچک تر به پخ شدن جزئی زمینِ چرخان منتهی می شوند. اثرهای کوانتومی مثلا نیروهای مؤثری که شکل اوربیتال های الکترونی را تعیین می کنند، در تغییر شکل هسته ها دخالت دارند. در مورد هسته های شدیدا تغییر شکل یافته، این دو نوع نیرو همدیگر را تقویت می کنند. پایداری حاصل از این نیروهای همسو، زمان لازم برای بررسی دقیق خواص این نوع هسته های عجیب را در اختیار پژوهش گران می-گذارد.
آخرین معمای مربوط به هسته های شدیدا تغییر شکل یافته، سال قبل در تحلیل سیگنال هایی که در پایان عمر کوتاه این هسته ها گسیل می شوند ظاهر شد. انواع مختلف این هسته ها وقتی انرژی از دست می دهند، به حالت پایه می روند و پرتو گاما گسیل می کنند؛ مقایسة این پرتوهای گاما با یکدیگر حاکی از مشابهت های عجیبی در آثار طیفی این هسته ها بوده که توسط چندین گروه تحقیقاتی مشاهده شده است. نتیجه به این دلیل شگفت آور بود که انتظار می رفت که آثار و نشانه های طیف گامای ناشی از هسته های برانگیختة مختلف، مانند اثر انگشت اشخاص مختلف، با هم تفاوت داشته باشند. هسته های برانگیخته ای که به سرعت در چرخشند، وقتی کند می شوند، انرژی دورانی از دست می دهند و پرتوهای گاما گسیل می کنند. آرایة انرژی های گسیل شده باید تابع شکل و اندازة دقیق هسته باشد. بنابراین هر نوع هسته ای باید آرایة خاصی گسیل کند که مهر و نشان منحصر به فرد آن نوع هسته تلقی می شود.
تقریبا بلافاصله بعد از اعلام این مطلب، سایر متخصصان فیزیک هسته ای هم به بررسی این پدیده پرداختند. ماری ـ آن دوله پلانک از آزمایشگاه لارنس برکلی یکی از آن ها بود. او دربارة این پدیده که دوقلوزایی نواری نام گرفته است، می گوید: "آنچه دیده ایم، کاملا غیرمنتظره است".
دو قلوزایی نواری نخستین بار در هسته های شدیدا تغییر شکل یافتة دیسپروزیم 152 و تربیم 151 دیده شده که طیف های تقریبا یکسان گسیل می کنند، ولی همین خاصیت غیرمنتظره بعدها در چند ایزوتوپ جیوه و عناصر مجاور جیوه در جدول تناوبی مشاهده شد. دوله پلانک می گوید: "هیچ دلیلی وجود ندارد که چرا این هسته ها باید چنین خواصی را از خود نشان بدهند. اندازه و گشتاور لختی این هسته ها با هم فرق می کند.... هیچ توضیحی برای این پدیده در دست نیست".
اما این وضع دوله پلانک و دیگر متخصصان فیزیک هسته ای را از تلاش های مقدماتی برای حل این معما بازنداشته است. نازارویچ که نظریه دان است، توضیحی به دست داده که درخور تامل است. اساس این توضیح فرضیه ای است کوانتومی موسوم به شبه اسپین. شبه اسپین ممکن است به همبستگی میزان تکانه های زاویه ای منجر شود که هسته های مختلف در هر لحظه کسب می کنند یا از دست می دهند. چون این تغییرات تکانة زاویه ای، فاصلة میان ترازهای انرژی و در نتیجه طول موج پرتوهای گامای گسیل شده را تعیین می کند، شبه اسپین شاید بتواند تا حدودی پدیدة دوقلوزایی نواری را توضیح بدهد.
نازارویچ می گوید که شبه اسپین نمی تواند مشابهت های مشاهده شده را به طور کامل توضیح بدهد. طیف پرتوهای گاما هم متاثر از اندازة هسته (قطر واقعی آن) است و هم به تکانة زاویه ای آن بستگی دارد. حتی تفاوتی به اندازة یک پروتون یا یک نوترون بین دو هسته آنچنان تمایزی میان طیف های گامای گسیل شده ایجاد می کند که به آسانی می شود آن ها را از هم تشخیص داد.
نازارویچ در اجلاس اخیر انجمن فیزیک امریکا گفته است که پیچیدگی های بیشتری را در این قضیه انتظار دارد. او فکر می-کند زوج هسته های تغییر شکل یافته ای که ظاهرا جز در دوقلوزایی نواری با هم وجه اشتراکی ندارند، ممکن است از جهات دیگری که تا کنون مطرح نشده با هم مشابهت داشته باشند و می گوید: "دو قلوزایی نواری ممکن است نشانة وجود تقارن جدیدی باشد که هنوز درباره اش چیزی نمی دانیم"، نوعی تقارن نهفته در دل هسته های عادی!