پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته کنار هم می‌مانند و یک مرکز اتمی پایدار ایجاد می‌کنند که این امر به لطف برهم‌کنش‌های قدرتمند رخ می‌دهد. برای دهه‌ها، نیروی دو‌نوکلئونی به عنوان عامل اصلی در نظر گرفته می‌شد که هم این ذرات را جذب کرده و هم از برخورد بیش از حد نزدیک آن‌ها جلوگیری می‌کند.
در مقاله‌ای اخیر، پژوهشگران به بررسی یک عامل نادیده گرفته‌شده به نام نیروی سه‌نوکلئونی پرداخته‌اند.
این پژوهش به سرپرستی پروفسور توکورو فوکویی از دانشکده علوم و هنر دانشگاه کیوشو در ژاپن انجام شده است. تیم تحقیقاتی بررسی کرده که چگونه اضافه کردن یک عامل سوم می‌تواند بر پایداری مرکز یک اتم تأثیر بگذارد.
اهمیت نوکلئون‌ها
نوکلئون‌ها شامل پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند. این ذرات هسته مرکزی هر اتم را تشکیل داده و تعیین می‌کنند که آیا یک عنصر پایدار است یا مستعد فروپاشی.
سه نوع نیرو در هسته اتم عمل می‌کنند: نیروی هسته‌ای قوی، نیروی الکترواستاتیک (که در مجموع به عنوان نیروی دو‌نوکلئونی شناخته می‌شوند) و نیروی ضعیف‌تر سه‌نوکلئونی.
بسیاری از دانشمندان شناخت امروزی ما از ساختار هسته‌ای را به مدل پوسته‌ای هسته نسبت می‌دهند، مدلی که ماریا گوپرت مایر را در سال ۱۹۶۳ برنده جایزه نوبل کرد.
در این مدل، نوکلئون‌ها سطوح انرژی خاصی را پر می‌کنند، مشابه الکترون‌ها، هرچند فیزیک زیربنایی آن پیچیده‌تر است.
نیروهای هسته‌ای همچنین در نحوه تکامل اتم‌ها در ستارگان نقش دارند، جایی که عناصر جدید از طریق فرایند همجوشی هسته‌ای ایجاد می‌شوند. این فرایند، که به نام هسته‌زایی شناخته می‌شود، تولید اتم‌های سنگین‌تر را ممکن می‌سازد که در نهایت در فضا پراکنده می‌شوند.
درک نحوه تأثیر نیروهای هسته‌ای بر این فرآیند می‌تواند مدل‌های تکامل ستاره‌ای و شکل‌گیری عناصر را بهبود بخشد.
نیرویی نادیده گرفته‌شده در هسته‌های اتمی
پروفسور فوکویی، نویسنده اصلی این مطالعه، اظهار داشت: «دانشمندان درک خوبی از نیروی دو‌نوکلئونی و تأثیر آن بر پایداری هسته به دست آورده‌اند.»
فیزیکدانان سال‌ها صرف بهبود مدل‌هایی کرده‌اند که نحوه عملکرد نیروی دو‌نوکلئونی را نشان می‌دهد. با این حال، نیروی سه‌نوکلئونی، که زمانی فعال می‌شود که سه نوکلئون به‌طور هم‌زمان برهم‌کنش داشته باشند، هنوز به‌خوبی درک نشده است.
مطالعه اخیر نشان می‌دهد که این نیروی اضافی در تقویت هسته نقش قابل توجهی دارد. پژوهشگران از شبیه‌سازی‌های پیشرفته برای مشاهده تغییرات سطح انرژی در داخل هسته استفاده کردند.
جدایش اسپین-مدار و پایداری هسته‌ای
وقتی نوکلئون‌ها چرخش (اسپین) خود را با حرکت مداری‌شان هماهنگ می‌کنند، در یک حالت انرژی پایین‌تر قرار می‌گیرند. اما اگر اسپین آن‌ها در جهت مخالف مدارشان باشد، سطح انرژی آن‌ها افزایش می‌یابد.
این اختلاف انرژی، لایه‌های مجزایی را در هسته تشکیل می‌دهد. پژوهش نشان داد که نیروی سه‌نوکلئونی باعث افزایش فاصله انرژی بین این لایه‌ها در هسته‌های بزرگ‌تر می‌شود.
فوکویی توضیح داد: «این اثر چنان بزرگ است که تقریباً به اندازه تأثیر نیروی دو‌نوکلئونی اهمیت دارد.» در کربن-۱۲ که شامل ۱۲ نوکلئون است، این فاصله انرژی ۲.۵ برابر افزایش یافته است.
تأثیر این نیرو بر هسته‌های سنگین‌تر
اتم‌های سنگین‌تر دارای نوکلئون‌های بیشتری هستند، بنابراین این برهم‌کنش‌ها حیاتی‌تر می‌شوند. اگر هسته یک چیدمان پایدار داشته باشد – که گاهی به آن «پیکربندی عدد جادویی» گفته می‌شود – افزودن نوترون‌های بیشتر دشوارتر خواهد شد.
هنگامی که عناصر درون ستارگان به همجوشی می‌رسند، افزایش پایداری هسته‌ای باعث سخت‌تر شدن گام بعدی، یعنی جذب نوترون‌های اضافی، می‌شود. در نتیجه، برخی عناصر ممکن است کندتر شکل بگیرند یا فقط تحت شرایط خاصی ایجاد شوند.
این تحقیق می‌تواند بر کاربردهای فیزیک هسته‌ای مانند پیش‌بینی پایداری ایزوتوپ‌ها، درک فرایندهای واپاشی رادیواکتیو و اصلاح مدل‌های انرژی هسته‌ای تأثیر بگذارد.
پیچیدگی‌های غیرمنتظره کوانتومی
یکی دیگر از نتایج این مطالعه مربوط به درهم‌تنیدگی کوانتومی است، پدیده‌ای که بیشتر در الکترون‌ها و فوتون‌ها شناخته شده است. با در نظر گرفتن نیروی سه‌نوکلئونی، دو مورد از سه نوکلئون می‌توانند تا لحظه مشاهده در حالت‌های اسپینی ترکیبی قرار بگیرند.
این درهم‌تنیدگی نشان می‌دهد که تعیین وضعیت نوکلئون‌ها چندان ساده نیست. این یافته سؤالات جدیدی را در مورد نحوه اندازه‌گیری یا بهره‌برداری از این حالت‌های اسپینی مطرح می‌کند.
پدیده‌ای مشابه در رایانش کوانتومی، از درهم‌تنیدگی برای پردازش اطلاعات استفاده می‌کند. اکنون پژوهشگران در حال بررسی این موضوع هستند که آیا سیستم‌های هسته‌ای می‌توانند به فناوری‌های کوانتومی آینده کمک کنند.
مسیرهای پژوهشی آینده
دانشمندان قصد دارند این تحقیقات را به عناصر سنگین‌تر گسترش دهند. افزایش تعداد نوکلئون‌ها احتمالاً نیروی سه‌نوکلئونی را تقویت کرده و ممکن است برخی هسته‌های اتمی را پایدارتر از آنچه مدل‌های کنونی پیش‌بینی می‌کنند، نشان دهد.
این یافته‌ها می‌توانند پیش‌بینی‌های مربوط به مسیرهای همجوشی ستاره‌ای را بهبود بخشند. با اصلاح مدل‌های تعاملات هسته‌ای، پژوهشگران امیدوارند بتوانند پیش‌بینی کنند که کدام عناصر تحت شرایط کیهانی مختلف شکل می‌گیرند.
این مطالعه در مجله Physics Letters B منتشر شده است.
