7 دسامبر 2025، روپندرا براهامبات -مفهوم اتمهای سرب.enot-poloskun/Getty Images
وقتی دانشمندان پرتوهای الکترون را به هستههای اتمی شلیک میکنند، الگوهای پراکندگی حاصل معمولاً دقیقاً مطابق پیشبینیهای نظریه رفتار میکنند. این یکی از نقاط قوت بزرگ فیزیک هستهای مدرن است.
این به این دلیل است که حتی اثرات کوچک، مانند آنچه هنگام تغییر اسپین الکترون اتفاق میافتد، میتوانند با استفاده از این رویکرد با دقت شگفتانگیزی اندازهگیری و با معادلات مطابقت داده شوند. با این حال، سرب، یکی از سنگینترین عناصر پایدار روی زمین، مدتهاست که قوانین را زیر پا گذاشته است.
آزمایشهای قبلی در آزمایشگاه جفرسون در ایالات متحده نشان داد که یک اثر وابسته به اسپین کوچک، که از تبادل دو فوتون مجازی انتظار میرود، به نظر میرسد هنگام برخورد الکترونها به سرب کاملاً ناپدید میشود. هیچ نظریهای نمیتواند این عمل ناپدید شدن را توضیح دهد.
اکنون، یک آزمایش جدید توسط فیزیکدانان دانشگاه یوهانس گوتنبرگ (JGU) ماینز نه تنها تأیید میکند که اتفاق عجیبی در درون هستههای سرب در حال رخ دادن است، بلکه نشان میدهد که این معما حتی عمیقتر از آن چیزی است که هر کسی تصور میکرد.
دکتر کونچتینا اسفینتی، یکی از نویسندگان این مطالعه و استاد JGU، گفت: «نتیجه ما تأیید میکند که این معما واقعی است و به این معنی است که فیزیک کشف نشدهای در نحوه کاوش هستههای سنگین توسط الکترونها وجود دارد و ما برای درک آن به ایدههای نظری جدیدی نیاز داریم.»
برای کاوش عمیقتر در راز هستههای سرب، محققان به میکروترون ماینز (MAMI)، یک شتابدهنده الکترون با دقت بالا که مجهز به برخی از حساسترین طیفسنجهای جهان است، روی آوردند.
MAMI به فیزیکدانان اجازه میدهد تا انرژی و زاویه پرتو الکترونی را با دقت بالایی کنترل کنند، که هر دو هنگام تلاش برای تشخیص تغییرات ظریف و مرتبط با اسپین در الگوهای پراکندگی اهمیت دارند.
اثری که آنها به دنبال آن بودند، کوچک اما در اکثر هستهها به خوبی درک شده است. وقتی الکترونها از یک هسته بازتاب میشوند، نه تنها از طریق تبادل یک فوتون، بلکه گاهی اوقات از طریق تبادل همزمان دو فوتون مجازی، با هم تعامل میکنند. این فرآیند نادر، پراکندگی را هنگام تغییر اسپین الکترون، کمی تغییر میدهد.
اندازه این تغییر وابسته به اسپین برای دههها پیشبینی و تأیید شده است، به جز در سرب، که دادههای قبلی نشان میدادند که این اثر اساساً صفر است.
تیم JGU اندازهگیری را تکرار کرد اما انرژی پرتو و زاویه پراکندگی را تغییر داد، دو متغیری که بر نحوه واکنش هسته تأثیر میگذارند. با استفاده از طیفسنجهای A1 MAMI، که میتوانند تغییرات بسیار کوچک در تکانه و زاویه را ثبت کنند، میزان تغییر پراکندگی را هنگام تغییر اسپین الکترونها اندازهگیری کردند.
با کمال تعجب، این بار، این اثر از بین نرفت. در عوض، به وضوح – و بسیار بزرگتر از حد انتظار – ظاهر شد. به جای حل اختلاف قبلی، اندازهگیری جدید این تناقض را آشکارتر کرد و نشان داد که رفتار سرب با افزایش انرژی به شدت تغییر میکند و هیچ مدل نظری فعلی این را پیشبینی نمیکند.
در هستههای سبکتر، اثر اسپین به طور روان و قابل پیشبینی در انرژیهای مختلف رفتار میکند؛ در سرب، به روشهای غیرمنتظرهای جهش میکند.
اسفینتی گفت: «با این نتیجه جدید از MAMI، درک بسیار واضحتری از آنچه باید قبل از رفتن به سطح بعدی درک شود، به دست میآوریم. آنچه امروز اندازهگیری میکنیم، مستقیماً نقشه راه فیزیک با دقت بالای فردا را شکل میدهد.»
پیامدهای این یافته بسیار فراتر از سرب است. آزمایش P2 در MESA، شتابدهنده جدیدی که در ماینز در حال ساخت است، تغییرات بسیار کوچک در پراکندگی الکترون را برای آزمایش مدل استاندارد با دقت بینظیر اندازهگیری خواهد کرد.
برای رسیدن به این سطح از دقت، فیزیکدانان باید اثرات تبادل دو فوتون را به طور دقیق درک کنند، به خصوص در هستههای سنگین که در حال حاضر ناهنجاریها قویترین به نظر میرسند. نتیجه جدید یک هشدار اساسی ارائه میدهد – بدون درک نظری بهتر از آنچه در درون سرب اتفاق میافتد، آزمایشهای دقیق آینده میتوانند دادههای آنها را به اشتباه تفسیر کنند.
این مطالعه همچنین چندین محدودیت را آشکار میکند. دانشمندان هنوز نمیدانند که چرا سرب اینقدر متفاوت رفتار میکند، آیا این اثر در سایر هستههای سنگین نیز ظاهر میشود یا اینکه کدام بخش از ساختار هستهای مسئول تغییر ناگهانی انرژی پرتو است. اندازهگیریهای فعلی، اگرچه دقیق هستند، اما فقط زوایا و انرژیهای خاصی را پوشش میدهند و بسیاری از مناطق را ناشناخته باقی میگذارند.
در مرحله بعد، این تیم قصد دارد اندازهگیریها را در انرژیهای بیشتری گسترش دهد، سرب را با سایر عناصر سنگین مقایسه کند و با نظریهپردازان برای ساخت مدلهایی که بتوانند رفتار تازه مشاهده شده را توضیح دهند، همکاری کند.
