پژوهشگران با استفاده از شبیه‌سازی حالت‌های مختلف پروتون و نوترون در هسته، شکل «حالت هویل» کربن و اندازه آن را محاسبه کرده‌اند.

فیزیکدانانی در آلمان و آمریکا با محاسبه رفتار پروتون‌ها و نوترون‌ها درون هسته‌های کربن با استفاده از اصول اولیه، شکل حالت هویل (Hoyle state) این عنصر را شناسایی کرده‌اند که یک گام مهم در تولید عناصر سنگین درون ستاره‌هاست. پژوهشگران دریافتند که این حالت یک ساختار خمیده غیرعادی دارد، یافته‌ای که به شناسایی نیروها هنگام تولید کربن کمک می‌کند.

کربن-12 شامل 6 پروتون و 6 نوترون بوده و یک گام بسیار مهم در سنتز هسته‌ای، فرآیندی که طی آن عناصر سنگین درون ستاره‌ها تولید می‌شوند، محسوب می‌شود. فیزیکدانانی که هم‌جوشی ستاره‌ای را در دهه 1940 و 1950 مطالعه می‌کردند، بر این باور بودند که کربن-12 زمانی تشکیل می‌شود که دو هسته هلیم-4 از طیق هم‌جوشی هسته‌ای با یکدیگر ترکیب شده تا برلیوم-8 را تولید کنند و سپس این ذره با سومین هسته هلیم-4 ترکیب می‌شود. با این وجود مشکلی در این فرضیه وجود داشت: انرژی ذرات ترکیب شده بسیار بیشتر از انرژی حالت پایه کربن-12 بود. این دلالت بر این داشت که ذره جدید بسیار بعید به نظر می‌رسد که به این طریق تشکیل شده باشد- این برای توضیح فراوانی زیاد کربن در جهان نسبتاً نامحتمل است.

مطابق با هویل برای غلبه بر این مشکل، هویل، ستاره‌شناس بریتانیایی در سال 1954، بیان کرد که کربن-12 دارای یک حالت برانگیخته می‌باشد که تا قبل از این دیده نشده است. ایده به این صورت بود که کربن-12 به سرعت این حالت را تشکیل می‌دهد و سپس به حالت پایه واپاشی کرده و در این فرآیند میزان 7.6 MeV انرژی آزاد می‌کند. این حالت برانگیخته سه سال بعد توسط پژوهشگرانی در مؤسسه فناوری کالیفرنیا هنگام انجام آزمایش‌های مربوط به واپاشی بتا‌زای بورون-12مشاهده شد.

در طی 60 سال گذشته فیزیکدانان هسته‌ای برای درک ماهیت حالت هویل که با مدل‌های استاندارد هسته‌ای قابل پیش‌بینی نبوده است، تلاش کرده‌اند. در این مدل‌ها هسته متشکل از پروتون‌ها و نوترون‌های منفرد در نظر گرفته می‌شوند و تصور می‌شد حالت هویل سه خوشه هلیم-4 را بهتر توصیف می‌کند. این خوشه‌ها اکنون توسط اولف مایسنر و همکارانش از دانشگاه بون به لطف توان محاسبات ابرکامپیوتر JUGENE در جولیچ و فرم جدید «تئوری میدان مؤثر» استیون واینبرگ که پروتون‌ها و نوکلئون‌ها را به جای حالت‌های مقید شامل سه کوارک، به عنوان واحدهای مستقلی در نظر می‌گیرد، شناسایی شدند.
هسته‌های هلیم-4 یک «بازوی خمیده» را در کربن-12 تشکیل می‌دهند.
شبکه فضا-زمان

تئوری واینبرگ تعداد ذراتی که می‌تواند برای تشکیل هسته کربن-12 در نظر گرفته شود، توسط یک ضریب سه کاهش می‌دهد- از 36 تا 12. با این وجود حتی 12 برای توصیفی تحلیلی از هسته بسیار زیاد است. در عوض گروه مایسنر این تئوری را با روش‌های عددی که اغلب برای توصیف برهمکنش کوارک‌های منفرد از طریق نیروی قوی مورد استفاده قرار می‌گیرد، ترکیب کردند. این رویکرد با مقید کردن ذرات به گونه‌ای که فقط بتوانند در رئوس شبکه فضا-زمان قرار بگیرند، فضا و زمان را به مقادیر گسسته می‌شکند و اساساً سیر تکامل ممکن برای سیستم ذرات را ساده می‌سازند.

در مقاله‌ای که در سال 2011 منتشر شد، مایسنر و همکارانش توضیح دادند که آن‌ها چطور رویکرد ترکیبی را برای شناسایی حالت هویل مورد استفاده قرار دادند. برای انجام این کار آن‌ها ابتدا حالت پایه کربن-12 را انتخاب کردند، تعداد زیادی از پیکربندی پروتون و نوترون را درون JUGENE راه‌اندازی کرده و سپس آنچه که با گذشت زمان اتفاق می‌افتاد، مورد بررسی قرار دادند. پیکربندی که برای مدت بیشتری دوام داشت، پایدارترین حالت ممکن و در نتیجه حالت پایه بود. شناسایی حالت هویل کمی سخت‌تر بود، زیرا شامل توقف شبیه‌سازی در برخی نقاط پیشتر در زمان و سپس پرداختن به حالت‌های مختلفی بود که باقی می‌ماند. با وجود چالش‌هایی که برای کالیبراسیون شبیه‌سازی‌ها وجود داشت، آن‌ها از داده‌های پراکندگی و سایر داده‌ها استفاده کردند. مقادیر محاسبه شده آن‌ها برای انرژی حالت پایه کربن-12 و حالت هویل با مقادیر تجربی به خوبی مطابقت داشت.

شکل «بازوی خمیده»

اکنون در این کار آخر، این تیم ساختار آن حالت‌ها را با استفاده از نمایش پیچیده‌تر تابع موج محاسبه کرده است. با تشبیه نوکلئون‌ها و گروه‌های آن‌ها به آجرهای LEGO، مایسنر می‌گوید: «قبلاً ما تنها آجرهایی با یک اندازه داشتیم و اکنون سری کاملی از آجرهای با اندازه‌های مختلف را داریم که می‌توانیم ساختارهای پیچیده‌تری را بسازیم.» با ساختن چنین ساختارهایی این گروه دریافت که در حالت پایه کربن-12، شامل سه خوشه هلیم-4 است که به شکل یک مثلث متساوی الاضلاع فشرده مرتب شده‌اند و در حالت هویل این سه خوشه به شکل یک مثلث منفرجه یا بازوی خمیده در می‌آیند. پژوهشگران توضیح می‌دهند که این پیکربندی باز، از انرژی اضافی در سیستم ناشی می‌شود.

یکی از جنبه‌های هیجان‌انگیز این پژوهش بر طبق نظر مورتن جینسن از دانشگاه اوسلو در نروژ، آن است که به دانشمندان اجازه می‌دهد تا بفهمند کدام بخش از نیروی قوی عامل واپاشی کربن-12 است. این مهم است چرا که این نیرو در واقع شامل عناصری است که برخی از آن‌ها شکل هسته‌ها را دگرگون می‌کنند. او می‌گوید: «هویل حالت پیشنهادی‌اش را بر اساس اصل آنتروپیک (یک تئوری کیهان‌شناختی) پیش‌بینی کرد. با این استدلال که اگر چنین حالتی وجود نداشت، ما اکنون اینجا نبودیم. اما ما اکنون می‌خواهیم ساختار این حالت را بر حسب نیرو‌ها و اجزای اولیه آن بدانیم.»

آزمایش‌های تجربی

در همین حال دیوید جنکینز از دانشگاه یورک در انگلستان اشاره می‌کند که آخرین کار پیش‌گویی‌هایی را به وجود آورده است که می‌تواند به طور تجربی بررسی شوند، از جمله وجود برخی انتقال‌های الکترومغناطیسی شامل حالت هویل. اما او می‌افزاید که این انتقال‌ها ضعیف هستند و به سختی قابل اندازه‌گیری می‌باشند. «چالش‌هایی که در چنین آزمایش‌هایی وجود دارد کمتر از دستاوردهای نظری نیست.»

طبق گفته مایسنر کارهای نظری بیشتری برای انجام دادن وجود دارد. یکی از این کارها کاهش فضا در شبکه مجازی برای انجام محاسبات دقیق‌تر است. کار دیگر بررسی هسته‌های عناصر بزرگتر مانند اکسیژن-16 است و برهم‌کنش‌هایی که منجر به تشکیل چنین هسته‌هایی می‌شود- در این مورد کربن-12 با هسته هلیم-4 ترکیب می‌شود. او می‌افزاید: «این یک واکنش بسیار مهم است که منجر به تولید مولکول‌های حیات بخش می‌شود.» این کار در مجله ‌Physical Review Letters منتشر شده است.