هسته‌های جادویی، هسته‌هایی هستند که "لایه‌های" آنها تماما توسط نوکلئون‌ها (پروتون‌ها یا نوتورون‌ها) پر شده و تمایل دارند در برابر واپاشی‌های رادیواکتیوی پایدار باقی بمانند. مثال شناخته‌شده‌ای در این مورد، هسته هلیوم 4 است، که هم تعداد پروتون‌ها (دو عدد) و هم تعداد نوترون‌هایش (دو عدد) اعدادی جادویی هستند. از این رو آن را "جادویی مضاعف" می‌نامند و به شدت پایدار است. دیگر اعداد جادویی عبارتند از 8، 20، 28، 50، 82، و 126.

 استثنا‌های چشم‌گیری نیز برای این مدل لایه‌ای و اعداد جادویی‌ آن وجود دارد. به طور خاص، به نظر می‌رسد هسته‌های ناپایداری که تعداد پروتون‌ها و نوترون‌هایشان تفاوت زیادی با یکدیگر دارند ایجاد نمی‌شوند. برای مثال در سیلیکون-42 غنی از نوترون، 28 نوترون (N=28) دیگر یک عدد جادویی نیست، درحالی‌که  N=16ایزوتوپ‌های غنی از نوترونِ اکسیژن، عدد جادویی به شمار می‌رود.

در سال 2001 پیش‌بینی شده بود

 مطالعه هسته‌های کلسیم غنی از نوترون، قبلا نشان داده بود که N=32 یک عدد جادویی است – و محاسبات نظری انجام شده در سال 2001 نیز پیشنهاد می‌داد که N=34 نیز باید یک عدد جادویی باشد. هم اکنون، فیزیک‌پیشگانی که در RIKEN مشغول به کار هستند، شواهد تجربی مبنی بر جادویی بودن عدد 34 یافته‌اند.

این آزمایش توسط تیمی به رهبری دیوید استپن‌بِک (David Steppenbeck) در دانشگاه توکیو انجام شده است. این محققان با پرتاب باریکه‌ای از هسته‌های اسکاندیوم و تیتانیوم به یک هدف جامد، سعی داشتند تا تعداد بیشتری از هسته‌های با طول عمر کوتاه ایجاد کنند. این هسته‌ها اغلب ترازهای انرژیِ به شدت برانگیخته‌ای دارند، و در زمان واپاشی پرتوهای گاما از خود گسیل می‌کنند، که این تیم آنها را آشکارسازی کرد. همان‌طور که یک اتم را می‌توان توسط نوری که از خود گسیل می‌کند شناسایی کرد، حضور یک هسته‌ی‌ خاص – و نیز اطلاعاتی درباره ساختار درونی آن- می‌تواند با استفاده از طیف گامای گسیلی آن بدست آید.

زیرلایه‌ی کاملا پُر

آزمایشِ انجام شده نشان داد که اولین حالت برانگیخته‌ی کلسیم -54، به نسبت انرژی بسیار زیادی دارد و این نشان‌دهنده "زیر-لایه"‌ی پُر حاوی 34 نوترون است. زیر لایه‌های هسته‌ای شبیه به زیر لایه‌های آشنای اتمی هستند (s, p, …)؛ اگر گاف انرژی بین زیر لایه‌ها زیاد باشد، آنگاه آن لایه متناظر است با یک عدد جادویی.

این اکتشاف اطلاعات مهمی درباره برهم‌کنش‌ بین نوکلئون‌ها درهسته‌های به شدت ناپایدار را به همراه دارد. درحالی‌که چنین هسته‌هایی در زندگی روزمره نقش چندانی ندارند، اما می‌توانند در فرایند نوکلئوسنتز نقش مهمی داشته باشند که به وسیله آن عناصر سنگینی مانند آهن و نیکل، در پدیده‌های اخترفیزیکی مانند ابرنواخترها ایجاد می‌شوند.

به گفته استپن‌بِک: «با بیشتر شدن دانش ما از ساختار هسته‌های به شدت ناپایدار و نیروهای نوکلئون – نوکلئون که باعث تحول لایه‌ی هسته‌ای می‌شوند، حضور یا عدم حضور اعداد هسته‌ایِ جادویی در هسته‌های رادیواکتیو نقش مهمی را در فهم فرایند‌های اخترفیزیکی مانند نوکلئوسنتز در ستاره‌ها ایفا می‌کنند.»

این تحقیق به طور مفصل در مجله Nature به چاپ رسیده است.

منبع: Why 34 is the magic number for calcium