لغز دام نصف قرن: كيف حلت تجربة واحدة في فرنسا لغز "انبعاث جاما" الغامض في الانشطار النووي؟

لعقود من الزمن، حيّر علماء الفيزياء النووية إشارة غير عادية: شظايا الانشطار النووي تبعث أشعة غاما عالية الطاقة أكثر مما تتنبأ به نماذج الاضمحلال القياسية، في نطاق طاقة يتراوح بين 3 و 8 ميغا إلكترون فولت. هذا الفائض غير المبرر، المعروف باسم "انبعاث جاما" (gamma bump)، ظل بلا تحديد تجريبي واضح حتى الآن.

في تجربة واحدة في منشأة GANIL للمعجل في كاين بفرنسا، تمكن فريق دولي من علماء الفيزياء من إنتاج أول قياس دقيق للنظائر المشعة لهذا الانبعاث، حيث رسموا خريطة للفائض عبر أكثر من اثني عشر نظيرًا غنيًا بالنيوترونات لم يكن من الممكن الوصول إليها سابقًا [2, 3, 8]. النتائج، التي نُشرت في مجلة Physics Letters B، تقدم دليلاً مباشرًا يربط جزءًا على الأقل من هذا الانبعاث برنين ثنائي القطب القزمي (PDR) — وهو نمط اهتزاز جماعي للطبقة النيوترونية الخارجية (الغلاف النيوتروني) في النوى الغنية بالنيوترونات [3, 8].

كيف تم إجراء التجربة؟

قام الفريق بقصف هدف من البريليوم‑9 بحزمة من أيونات اليورانيوم‑238، مما أدى إلى تكوين نواة الكوريوم‑247 التي تمر بانشطار. لالتقاط هوية كل شظية انشطارية وانبعاثات أشعة غاما الخاصة بها في آن واحد، قام الفريق بدمج مطياف مغناطيسي واسع القبول (VAMOS++)، الذي يحدد كتلة وشحنة كل شظية، مع مصفوفة كاشفات أشعة غاما (PARIS). سمح هذا التكامل بتحديد متزامن لكل حدث لكل شظية وطيف أشعة غاما عالية الطاقة الصادر عنها [3, 8].

ماذا وجدوا؟

الدراسات السابقة كانت قادرة فقط على قياس انبعاث جاما من مصادر مختلطة أو نظائر فردية. هذه التجربة هي الأولى التي تقدم تحديدًا نظائريًا للفائض عبر العديد من شظايا الانشطار الغنية بالنيوترونات في قياس واحد . تظهر البيانات أن قوة انبعاث جاما تختلف بشكل كبير من نظير إلى آخر، اعتمادًا على فائض النيوترونات وبنية الغلاف الإلكتروني بالقرب من النواة السحرية المزدوجة القصدير‑132 [3, 8].

الأصل الفيزيائي: رنين ثنائي القطب القزمي (PDR)

تشير الحسابات النظرية إلى أن جزءًا على الأقل من الفائض ينشأ من رنين ثنائي القطب القزمي (PDR) — وهو نمط ثنائي قطب لين تتذبذب فيه الطبقة الخارجية الغنية بالنيوترونات (الغلاف النيوتروني) ضد اللب الغني بالبروتونات [2, 3]. توجد قوة PDR تحت رنين ثنائي القطب العملاق (GDR) وتكون واضحة بشكل خاص في النوى البعيدة عن وادي الاستقرار [3, 8]. هذا الارتباط يتيح وصولاً تجريبيًا مباشرًا لخصائص PDR في النوى القصيرة العمر والغنية بالنيوترونات، والتي لا يمكن دراستها بواسطة التفاعلات التقليدية المحفزة بالفوتونات أو الجسيمات [3, 8].

الآثار المترتبة على نمذجة المفاعلات النووية

يساهم انبعاث جاما في كمية غير مهملة من انبعاث الفوتونات عالية الطاقة في الانشطار. تعتمد حسابات المفاعلات المتعلقة بترسب الحرارة، وتسخين جاما في المواد الهيكلية، وتصميم الدروع الإشعاعية على أطياف دقيقة لأشعة غاما الناتجة عن الانشطار [3, 25]. توفر الخريطة النظائرية الجديدة أساسًا فيزيائيًا أكثر دقة لمكون أشعة جاما في مكتبات البيانات النووية المقيمة، مما قد يحسن عمليات محاكاة فيزياء المفاعلات وهوامش الأمان [3, 8, 25].

أداة جديدة لدراسة النوى الغريبة

تثبت التجربة أن تفاعلات الانشطار يمكن أن تكون أداة متعددة الاستخدامات لإشعال العديد من النوى الغنية بالنيوترونات في وقت واحد ودراسة PDR من خلال اضمحلال جاما [3, 8]. هذا النهج يفتح قناة جديدة للتحقيق في سمك الغلاف النيوتروني، وسلوك طاقة التناظر، والإثارة ثنائية القطب الجماعية في النوى الغريبة — وهي كميات مهمة أيضًا لفهم قشور النجوم النيوترونية ومسار التخليق النووي (عملية r) [3, 8, 25].

تحذيرات وخطوات قادمة

النتائج المنشورة مستمدة من تجربة واحدة، ويعتمد الإسناد النظري إلى PDR على المقارنة مع حسابات البنية النووية. على الرغم من قوة الأدلة، إلا أن هناك حاجة لتجارب إضافية على أنظمة انشطارية مختلفة وقياسات مباشرة (γ,γ′) على نفس النظائر لتأكيد الجزء الدقيق من PDR في الانبعاث وللاستبعاد المساهمات الأخرى مثل ذيل رنين ثنائي القطب العملاق الإحصائي أو انتقالات M1 [3, 8].