علوم

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

قد يوجد شكل مستقر جديد للمادة خارج الجدول الدوري

Une nouvelle forme stable de matière pourrait exister au-delà du tableau périodique

الكواركات هي جسيمات أولية لا تزال تحظى باهتمام الفيزيائيين. وهي تشكل المادة البار يونية، أي المادة العادية التي تحيط بنا وتتكون من البروتونات والنيوترونات، وتسمح خواصها الفيزيائية بوجود أشكال معينة من المادة، مثل بلازما كوارك-غلوون أو حتى مادة غريبة la matière étrange. اكتشف فريق من الفيزيائيين مؤخرًا تكوينًا جديدًا مستقرًا للكواركات، والذي يمكن أن يشكل عناصر خارج الجدول الدوري.

آخر معاملة transactinide (عنصر كيميائي ذو رقم ذري أعلى من رقم لورنسيوم lawrencium)، يتكون العضو l’organesson (Og) من 118 بروتونًا لكتلة ذرية قدرها 294. تم تصنيعه وتركيبه لأول مرة في عام 2002، وهو آخر عنصر كيميائي معروف (بالعدد الذري المتزايد) من الجدول الدوري للعناصر. هذا لا يعني أن العناصر الأثقل لا يمكنها أن توجد - على الرغم من وجود حد أقصى نظري لعدد البروتونات في النواة، بسبب الكثافة المحدودة للتفاعل بين النوكليون والنيوكليون - ولكن الحدود التكنولوجية الحالية لا تسمح بعد أن يتم إنتاجها.

لم تعد الذرات الموجودة في نهاية الجدول الدوري تخضع لنفس القواعد مثل نظيراتها الأقل كتلة. تظهر التأثيرات الكمومية، مثل اقتران مدار الدوران couplage spin-orbite، التي تنبثق داخل النواة وتعيد تنظيم مستويات الطاقة الكلاسيكية. تعمل آليات تقييد الطاقة، ولا سيما ظاهرة الإحباط الكولومبي frustration coulombienne، الذي يعمل على تعديل ديناميكيات الإلكترونات والبروتونات، مما يمنح الذرة خصائص معينة. أخيرًا، تميل التأثيرات النسبية إلى فصل الإلكترونات بشكل موحد بدلاً من ترتيبها تقليديًا في طبقات.

في دراسة حديثة، أظهر فريق من علماء الفيزياء من جامعة تورنتو أنه في ظل الظروف القاسية لدرجة الحرارة والضغط، يمكن للكواركات التي تتكون منها الباريونات أن تتحلل، مع الحفاظ على استقرارها بدرجة كافية لضمان تكوين ذرات الكتلة التي تزيد عن 300، وبالتالي تقع خارج الجدول الدوري. يمكن أن يوجد مثل هذا التكوين للمادة داخل النجوم النيوترونية

قدم الفيزيائيون أبحاثهم في مجلة الرسائل الفيزيائية Physical Review Letters.quarks configuration

يمكن أن تشكل الكواركات تكوينات مختلفة وبالتالي جسيمات مختلفة، اعتمادًا على نكهاتها وأنواعها وترتيباتها.

الكواركات هي جسيمات أولية تشكل جسيمات مركبة تسمى "الهادرونات hadrons ". وتنقسم هذه الجسيمات إلى "ميزونات mésons " - وهي جسيمات مكونة من زوج من الكواركات والكواركات المضادة quark-antiquark و "الباريونات baryons " - وهي جسيمات مكونة من ثلاثة كواركات مثل البروتونات protons والنيوترونات neutrons. هناك ستة أنواع (نكهات) من الكواركات: أعلى (ش)، أسفل (د)، أعلى (تي)، أسفل (ب)، غريب (ق) وسحر (ج) Up (u), Down (d), Top (t), Bottom (b), Strange (s) et Charm (c).

تتكون المادة الباريونية حصريًا من البروتونات والنيوترونات، وتتكون فقط من u و d كواركات. بعيدًا عن البروتونات والنيوترونات، يمكن للكواركات تشكيل هياكل أخرى اعتمادًا على ترتيبها. تترابط الكواركات معًا بواسطة الغلوونات les gluons، وهي البوزونات les bosons médiateurs التي تتوسط تفاعلًا نوويًا قويًا.

matiere quarks

في ظل الظروف القاسية لدرجة الحرارة والضغط، يمكن تفكيك الكواركات، وتشكيل "حساء" من الكواركات الحرة، تسمى "المادة الديناميكية الملونة": سيرن

إذا شكلت الكواركات ترتيبات مستقرة داخل الباريونات عند درجات حرارة وظروف ضغط معيارية، فيمكنها أيضًا تكوين مثل هذه التكوينات والوصول إلى أدنى حالة طاقة لها (الحالة الأساسية أو الجوهرية) في ظروف أكثر قسوة، في شكل مادة كروموديناميكية chromodynamique الديناميكا اللونية أو "مادة الكواركات matières à quarks ".

هذا الشكل من المادة لم يعد مكونًا من ثلاثة كواركات مرتبطة ارتباطًا وثيقًا، بل يتكون من "حساء" من الكواركات الحرة. عادة ما يتم استيفاء هذه الشروط في مسرعات الجسيمات القوية أو في النجوم النيوترونية. في عام 1984، اقترح العالم الفيزيائي إدوارد ويتن Edward Witten  أن هذه المادة الديناميكية اللونية أو الكروموديناميكية المستقرة تتكون في الواقع من خليط متساوٍ من الكواركات u و d و s.وتسمى  udQM - Up-Down Quark Matter وهكذا أخذت اسم "المادة الغريبة" (لأنها تتكون من كواركات غريبة).

فيما يتعلق باستقرار تكوينات الكواركات u وd داخل النوى الذرية، فإن فكرة المادة الكروموديناميكية المكونة فقط من u وd الكواركات، تسمى "udQM" (لمادة كوارك أعلى)، كانت منذ فترة طويلة رفضه العلماء. ومع ذلك، فقد أثبت علماء الفيزياء في جامعة تورنتو بنجاح أنه في الواقع، فإن UDQM لديها طاقة كتلة أقل لكل باريون من مادة الباريون التقليدية والمواد الغريبة. لقد بحث الفيزيائيون عن مادة غريبة لعشرات السنين. وفقًا لنتائجنا، ربما نظر العديد من العلماء في المكان الخطأ» حسب توضيح ليزا زيغا Lisa Zyga، مؤلفة الدراسة.

stabilite udqm

تصل المادة الديناميكية الصبغية الكروموديناميك La matière chromodynamique، المكونة من كواركات u و d، إلى مستواها الأساسي وتصبح مستقرة للعناصر ذات الكتلة الذرية (A) أكبر من 300. .

في ظل ظروف ضغط كافية، يمكن للكواركات u و d أن تترتب في udQM، والتي لا تتطلب حالتها الأرضية استقرار أي كوارك. يتم استيفاء ظروف الضغط ودرجة الحرارة هذه نظريًا داخل النجم النيوتروني، ولكن أيضًا داخل البروتونات نفسها. تُظهر حسابات الفيزيائيين أنه بالنسبة لعنصر كتلته الذرية أكبر من 300، يمكن للكواركين u وd إعادة ترتيب أنفسهم في مادة كروموديناميكية مستقرة.

يتطلب إنشاء هذا النوع من العناصر تقنية أكثر تقدمًا مما لدينا، ولكن هذه النتائج توضح إمكانية وجود منطقة مستقرة خارج الجدول الدوري. من الممكن أيضًا أن يتم إنشاء مثل هذه العناصر داخل الأشعة الكونية ويمكن اكتشافها على الأرض.

يوضح المؤلفون: "إن تعزيز معرفتنا بـ UDQM سيسمح لنا بتحقيق هدف قديم: إنتاج الطاقة من المادة الكرومودبناميكية أو الديناميكية الصبغية". المادة الديناميكية اللونية التي تتطلب مثل هذا المستوى المنخفض من الطاقة تفتح مجالات مهمة للبحث وتسمح لنا بترك الخيال العلمي لتخيل مفاعلات الكوارك المستقبلية.

تم اكتشاف حالة إلكترونية جديدة للمادة Un nouvel état électronique de la matière vient d’être découvert

في معدن أو شبه موصل، تتحرك الإلكترونات وتتشتت بحرية أكثر أو أقل، يمكن تحديد هذه الحركة من خلال تطبيق جهد كهربائي على المادة المعنية. داخل الموصلات الباليستية (المواد ذات الموصلية الكهربائية المثلى أو القصوى، خاصةً بسبب عدم وجود تصادم بين الإلكترونات)، تتحرك الإلكترونات تقريبًا مثل المركبات على الطريق السريع. الميزة الرئيسية هي أنها لا تصدر حرارة ويمكن استخدامها بطريقة فريدة مقارنة بالإلكترونيات العادية. نجح الباحثون سابقًا في تصميم هذا النوع من الموصلات الباليستية. كما اكتشف العلماء مؤخرًا حالة إلكترونية جديدة للمادة تنتقل فيها الإلكترونات، دون تشتت، في مجموعات تتكون من اثنين أو أكثر في وقت واحد وليس بشكل فردي، كما كان الحال حتى الآن في الموصلات المبكرة الباليستية.

يقول جيريمي ليفي Jeremy Levy، أستاذ فيزياء المادة المكثفة، "يركز البحث على القياسات في الأنظمة الموصلة أحادية البعد حيث تتحرك الإلكترونات دون أن تشتت في مجموعات مكونة من اثنين أو أكثر في وقت واحد، وليس بشكل فردي". ويؤيده في ذلك باتريك إيرفين Patrick Irvin، أستاذ باحث مشارك. الاثنان، من قسم الفيزياء وعلم الفلك في جامعة بيتسبرغ، وهما مؤلفان مشاركان في الدراسة، التي نُشرت نتائجها في 14 فبراير في مجلة Science.

"عادة، تتحرك الإلكترونات في أشباه الموصلات أو المعادن وتتشتت، وفي النهاية تنجرف في اتجاه واحد إذا قمت بتطبيق الجهد. لكن في الموصلات الباليستية، تتحرك الإلكترونات مثل السيارات على الطريق السريع. وتتمثل ميزة ذلك في أنها لا تصدر حرارة ويمكن استخدامها بطرق مختلفة تمامًا عن الإلكترونيات العادية. لقد نجح الباحثون السابقون بالفعل في إنشاء هذا النوع من الموصلات الباليستية "، كما يوضح ليفي.

"مجموعات أو عناقيد من الإلكترونات" تؤدي إلى ظهور أشكال جديدة من المادة الإلكترونية:

يوضح اكتشافنا أنه عندما يمكن جعل الإلكترونات تجتذب بعضها البعض، فإنها يمكن أن تشكل أزواجًا أو مجموعات من ثلاثة وأربعة وخمسة إلكترونات، والتي تتصرف حرفياً مثل أنواع جديدة من الجسيمات، وأشكال جديدة من المواد الإلكترونية «، حسب ليفي.

قارن ليفي هذا الاكتشاف بكيفية ارتباط الكواركات معًا لتكوين النيوترونات والبروتونات. كان أحد الأدلة المهمة لاكتشاف هذه الحالة الجديدة للمادة هو إدراك أن هذه الموصلات الباليستية تتوافق مع تسلسل في مثلث باسكال أدناه.

triangle pascal premieres lignes

الخطوط الثلاثة الأولى لمثلث باسكال.

"إذا نظرت في اتجاهات مختلفة لمثلث باسكال، يمكنك رؤية تسلسلات مختلفة من الأرقام، بما في ذلك ما يلي: 1، 3، 6، 10، 15، 21. هذا تسلسل لاحظناه في بياناتنا، لذلك كان دليلًا صعبًا على ما كان يحدث بالفعل. استغرقنا الاكتشاف بعض الوقت لمعرفة ذلك، والسبب هو أننا لم نكن نعلم في البداية أننا نبحث في جسيمات مكونة من إلكترون، إلكترونين، ثلاثة إلكترونات، إلخ. إنها تتوافق معًا مع التسلسل 1، 3، 6، 10 "، كما يقول ليفي. و في الحالة السائلة، تحتوي جزيئات الماء في الواقع على بنيتين مختلفتين من عناقيد الإلكترونات.

ارتباط بالتشابك الكمومي:

كما أشار ليفي، مدير معهد بيتسبرغ الكمومي Pittsburgh Quantum Institute، إلى أن الجسيمات الجديدة تظهر خصائص تتعلق بالتشابك الكمومي l’intrication quantique، والتي يمكن استخدامها في الحوسبة الكمومية وإعادة التوزيع الكمومي. ولقد أعلن بشكل خاص أن الاكتشاف هو خطوة مثيرة نحو المرحلة التالية من فيزياء الكموم. وقال "هذا البحث جزء من جهد أكبر هنا في بيتسبرغ لتطوير علوم وتقنيات جديدة تتعلق بالثورة الكمومية الثانية".

خلال الثورة الكمومية الأولى، أدرك المجتمع العلمي أن العالم من حولنا يخضع بشكل أساسي لقوانين فيزياء الكموم الكوانتوم. من بين أشياء أخرى، ساعد هذا الاكتشاف في فهم الجدول الدوري وسلوك المواد وساعد في تطوير الترانزستورات وأجهزة الكمبيوتر وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي IRM وتكنولوجيا المعلومات بشكل عام.

"الآن، في القرن الحادي والعشرين، ننظر إلى كل التنبؤات الغريبة في فيزياء الكموم، ونفصلها ونستخدمها. عندما نتحدث عن التطبيقات، فإننا نفكر في الحوسبة الكمومية l’informatique quantique، والنقل الآني الكمومي la téléportation quantique، والاتصالات الكموميةcommunications quantiques، والكشف الكمومي la détection quantique الأفكار التي تستغل خصائص الطبيعة الكمومية للمادة التي تم تجاهلها من قبل "، كما يستنتج ليفي.