کشف عدد جادویی جدید ۱۴ برای پروتون‌ها در ایزوتوپ سیلیکون-۲۲

اعداد جادویی در فیزیک هسته‌ای: مفهومی بنیادین

در فیزیک هسته‌ای، «اعداد جادویی» به تعداد مشخصی از پروتون‌ها یا نوترون‌ها در یک هسته اتمی اطلاق می‌شود که منجر به افزایش چشمگیر پایداری آن هسته می‌گردد. تاکنون اعدادی نظیر ۲، ۸، ۲۰، ۲۸، ۵۰، ۸۲ و ۱۲۶ به عنوان اعداد جادویی شناخته شده‌اند. این مفهوم حیاتی در دهه ۱۹۵۰ توسط ماریا گوپرت-مایر و هانس جنسن از طریق مدل لایه‌ای هسته تبیین شد و افتخار دریافت جایزه نوبل فیزیک را برای آن‌ها به ارمغان آورد.

با این حال، بخش عمده‌ای از دانش ما در این زمینه بر پایه ایزوتوپ‌های پایدار و با عمر طولانی استوار است. در مقابل، ایزوتوپ‌های ناپایدار و کوتاه‌عمر، مانند سیلیکون-۲۲، که در شرایط شدید و غیرمعمول شکل می‌گیرند، اطلاعات بی‌نهایت ارزشمندی درباره رفتار نیروهای هسته‌ای در مرزهای پایداری ماده به دانشمندان ارائه می‌دهند.

تأیید یک پیش‌بینی نظری دیرینه

پیش از این، مطالعات نشان داده بود که عدد نوترونی ۱۴ در ایزوتوپ اکسیژن-۲۲ (شامل ۸ پروتون و ۱۴ نوترون) ویژگی‌های یک عدد جادویی را از خود بروز می‌دهد. بر اساس اصل تقارن آینه‌ای هسته‌ای، پیش‌بینی می‌شد که در ایزوتوپ آینه‌ای آن، یعنی سیلیکون-۲۲ (با ۱۴ پروتون و ۸ نوترون)، عدد پروتونی ۱۴ نیز رفتاری مشابه از خود نشان دهد. اما به دلیل چالش‌های فراوان در تولید و اندازه‌گیری چنین ایزوتوپ ناپایداری، این پیش‌بینی تا به امروز تأیید نشده باقی مانده بود.

پژوهشگران با بهره‌گیری از تکنیک پیشرفته طیف‌سنجی جرمی مبتنی بر روش ایزکرونی (Isochronous Mass Spectrometry) در حلقه ذخیره‌سازی مرکز تحقیقات یون‌های سنگین در لانژو، موفق به اندازه‌گیری جرم حالت پایه سیلیکون-۲۲ با دقتی بی‌سابقه شدند.

نتایج کلیدی پژوهش:

• انرژی جدایش دو پروتون: نتایج نشان داد که انرژی جدایش دو پروتون در سیلیکون-۲۲ مثبت است، به این معنا که این ایزوتوپ به صورت خودبه‌خودی دو پروتون از دست نمی‌دهد. این کشف به طور قطعی ثابت می‌کند که سیلیکون-۲۲ یک هسته در مرز پایداری پروتونی (proton drip-line) است، اما دچار پرتوزایی دو پروتونی نمی‌شود؛ موضوعی که سال‌ها در فیزیک هسته‌ای مورد بحث بود.
• مقایسه با اکسیژن-۲۲: محققان با استفاده از مقدار جرم جدید، انرژی جفت‌شدگی پروتونی در سیلیکون-۲۲ را محاسبه و آن را با انرژی جفت‌شدگی نوترونی در اکسیژن-۲۲ مقایسه کردند. این مقایسه به وضوح نشان داد که عدد پروتونی ۱۴ نیز، همانند عدد نوترونی ۱۴، رفتاری شبیه به یک عدد جادویی دارد. این یافته مهم با استفاده از مدل شل گاموف (Gamow Shell Model) نیز به طور مستقل تأیید شد.

با وجود اینکه هر دو ایزوتوپ سیلیکون-۲۲ و اکسیژن-۲۲ ویژگی‌های «دو عدد جادویی» را به نمایش می‌گذارند، بررسی‌های دقیق‌تر نشان داد که توزیع فضایی پروتون‌ها در سیلیکون-۲۲ نسبت به توزیع نوترون‌ها در اکسیژن-۲۲ گسترده‌تر است و اندکی عدم تقارن در این آینه‌سازی هسته‌ای وجود دارد.

آینده پژوهش و درک عمیق‌تر ماده

این پژوهش پیشگامانه که نتایج آن در مجله معتبر Physical Review Letters به چاپ رسیده است، درک ما را از ساختارهای هسته‌ای عجیب و ناپایدار به طور چشمگیری عمیق‌تر می‌کند. این دستاورد بینشی تازه درباره رفتار نیروهای بنیادی در دل اتم‌ها و چگونگی پدیدار شدن ایزوتوپ‌های بسیار نادر ارائه می‌دهد و راه را برای تحقیقات آتی در زمینه فیزیک هسته‌ای هموار می‌سازد.