تشدیدهای جدید غول‌آسا

مطالعۀ مدهای سادۀ برانگیختگی هسته، که تشدیدهای غول‌آسا نام دارند، از اهمیت شایان توجهی برخوردار است. این مدهای برانگیختگی به حرکت همدوسِ بخش بزرگی از اجزای هسته، یعنی نوترون‌ها و پروتون‌ها، مربوط می‌شود (برچ). مدهای نوسانیِ مشابه با مدهای قطره مایع، به گونه‌ای بسیار گسترده مورد مطالعۀ تجربی قرار گرفته‌اند. دیگر مدهای نوسانی مربوط به اسپین ذاتی نوکلئون‌ها به آن اندازه بررسی نشده‌اند.
مشهورترین نمونۀ نوسان هسته‌ایِ مستقل از اسپین، تشدید دو قطبی غول‌آسا است. این تشدید یکی از ساده‌ترین مدهای نوسانی است: در این‌جا، با حرکت نوترون‌های هسته در یک جهت و پروتون‌ها در جهت مخالف، برایندی از گشتاور دو قطبی الکتریکی به وجود می‌آید. دیگر نمونه‌های تشدید غول‌آسا (ی تک قطبی، چهار قطبی و هشت قطبی) به حالت‌هایی مربوط می‌شوند که نوترون‌ها و پروتون‌ها با هم در حرکتند.
واقعیت تعلق اسپین ذاتی به نوکلئون‌ها و این که سمت‌گیری اسپین فقط در یکی از دو جهت امکان دارد، انواع دیگر مدهای دو قطبی نوسان هسته را امکان‌پذیر می‌کند. یکی از این مدها، هنگامی روی می‌دهد که نوسان نوکلئون‌های با بردار اسپین رو به بالا و نوکلئون‌های با اسپین رو به پایین ناهم‌فاز باشند. یک مد دیگر هنگامی روی می‌دهد که نوترون‌های اسپین بالا و پروتون‌های اسپین پایین در برابر نوترون‌های اسپین پایین و پروتون‌های اسپین بالا نوسان کنند. سالیان زیادی است که نظریه‌پردازان، چنین مدهایی را در تصور داشته‌اند (والکا 1966)، ولی این مدها در آزمایش مشاهده نشده بودند. بررسی خواص این مدها، می‌تواند اطلاعات زیادی دربارۀ نیروهای وابسته به اسپین به دست دهد که استواری هسته منوط بدان‌هاست.
بیش‌تر اطلاعات جدید در مورد تشدیدهای غول‌آسا نه از راه پراکندگی الکترون، بلکه از راه پراکندگی ناکشسان هادرون‌ها (یی مثل پروتون‌ها و پیون‌ها) از هسته‌ها به دست آمده است. به ویژه، با انتخاب واکنش مناسب می‌توان درجه‌های آزادی اسپینی و ایزواسپینی (مربوط به فاز نسبی حرکت نوترون‌ها و پروتون‌ها) را به طور گزینشی برانگیخت. برای نمونه، در تعیین تشدید دو قطبی مغناطیسی هسته‌های سنگین، از پراکندگی پروتون در زوایای کوچک استفاده شد (آناتارامان و دیگر ). سال‌های زیادی است که حالت MI (دو قطبی مغناطیسی) در مورد هسته‌های سبک به خوبی شناخته شده است. اما، تا همین اواخر، فقدان نیروی قابل توجه ناشی از MI در هسته‌های سنگین‌تر از A=60 معمای بزرگی در فیزیک ساختارـ هسته‌ای به شمار می‌رفت. آزمایش‌هایی که در آن‌ها از پروتون به عنوان «کاوه» استفاده شد، نشان داد که، همانند تشدید گاموف‌ـ‌تلر که پیش‌تر کشف شد (1980)، تشدید MI نیز به طور قابل توجهی قدرت کاهش یافته دارد. دست کم بخشی از این کاهش را می‌توان با درجۀ آزادی اسپینی زیرـ نوکلئون‌ها و مشخصاً با برانگیختگی اسپینی ذره‌های دلتا در هسته توضیح داد (1982).
ثابت شده است که پیون نیز کاوۀ مفیدی در تشدیدهای غول‌آسای هسته‌ای است. فیزیک‌دان‌های لوس‌آلاموس و تل‌آویو در یک آزمایش، که در آن پیون فرودی π^- در طی پراکندگی از هسته‌های سنگین به π^° تبدیل می‌شود، واکنش تبادل بار را اندازه‌گیری کردند (بومان و دیگر ). آن‌ها در سطح مقطع قله‌ای یافتند که که در زاویۀ پراکندگی صفر درجه چشم‌گیر بود. این موضوع نشانه‌ای از تشدید غول‌آسای تک قطبی ایزواسپین، که از جابه‌جایی شعاعی نوترون نسبت به موقعیت پروتون حاصل می‌شود، تلقی شد.
اخیراً در دو آزمایش، تشدید غول‌آسای دو قطبی در هسته‌های شدیداً برانگیخته شناسایی شد، که نشان‌گر توانایی دوام حرکت هم‌دوس دو قطبی در یک محیط هسته‌ای داغ بود. نشانۀ تجربی تشدید، گسیل پرتو گامای پر انرژی (10 تا 25MeV ) بود که قلۀ آن در انرژی متناظر با بسامد ارتعاشی تشدید قرار داشت.
برای تولید پرتو گاما از دو سازوکار فیزیکی استفاده شد. در یکی از این روش‌ها، از برخورد بین پرتابه‌های نسبتاً سنگین و هدف‌های هسته‌ای گوناگون استفاده می‌شود. پژوهشگران آزمایشگاه لارنس برکلی، با کاربرد باریکۀ Xe با انرژی 1150MeV برای برانگیختن هستۀ هدف، تشدید غول‌آسا را در هسته‌های بسیار سنگین مورد مطالعه قرار دادند (دراپر و دیگر ). پژوهشگران دانشگاه واشنگتن، باریکه‌هایی از یون‌های سبک‌تر مانند (_^4)Heو (_^12)C به کار بردند که با هسته‌های هدف هم‌جوشیده می‌شوند (دوئل و دیگر ). در هر دو مورد، هستۀ مرکب گرماییده‌ای در فرایند برخورد به وجود می‌آید، که در آن بخشی از انرژی صرف حرکت ارتعاشی تشدید غول‌آسا می‌شود.