تابع پاسخ دینامیک هسته‌ای
حرکت و ساختار نوکلئون‌های داخل هسته‌ها را می‌توان با استفاده از پراکندگی الکترون مطالعه کرد. سطح مقطع پراکندگی برای الکترون های انرژی-متوسط از چندین هسته‌ی سبک است. داده‌ها در آزمایشگاه MIT Bates با استفاده از یک الکترونی MeV730، ثبت شده‌اند. انتقال انرژی نوعی (تقریباً 100 تا MeV400) خیلی بیش از انرژی لازم برای بیرون انداختن نوکلئون هاست و در واقع برای برانگیزش نوکلئون به یک وضعیت تشدیدی موسوم به حالت ? کافی است. انتقال تکانه‌ی (اندازه حرکت) نوعی (تقریباً 500 MeV?c ) در مقایسه با تکانه‌ی متوسط نوکلئون در داخل هدف زیاد است. تحت این شرایط شدیداً ناکشسان، پیش‌بینی ما این است که تابع پاسخ هسته‌ای، تحت سلطه‌ی پراکندگی شبه آزاد از تک تک نوکلئون‌ها خواهد بود. این تصویر ساده از واکنش، با ظهور دو ساختار پهن در شکل1 که، به ترتیب، در حول و حوش اتلاف انرژی متناسب با پراکندگی کشسان الکترون-نوکلئون و برانگیزش در فضای آزاد است، تأیید می‌شود. جامعیت تابع پاسخ تأیید دیگری است برایده‌ی ساده‌ی فرایند مسلط ذره-منفرد. در نتیجه، اکنون ما می‌توانیم به تحلیل دقیقتری از شکل و بزرگی قله‌ها بپردازیم و مطالبی پیرامون توزیع تکانه‌ی هسته‌ای و تغییر ساختار هادرونی ناشی از برهم کنش با همسایگان، در محیط هسته‌ای، بیاموزیم. محل و پهنای قله‌ی شبه کشسان را می‌توان به خوبی بر حسب پتانسیل متوسط هسته ای توجیه کرد. اولاً، محل قله، در اتلاف انرژی تقریباً MeV20 بیش از آنچه که برای یک پروتون آزاد ساکن انتظار می‌رود، قدرت پتانسیل بستگی هسته‌ای را مشخص می‌کند. ثانیاً، پهنای قله‌ی شبه کشسان راه مستقیمی برای اندازه‌گیری تکانه‌ی فرمی هسته‌ای، تکانه‌ی نوکلئون‌ها در داخل هسته، به دست می‌دهد.
آن قسمت از پراکندگی که مربوط به پراکندگی الکترون از بار الکتریکی یک نوکلئون است را می‌توان جدا ساخت، و این به شگفتی عمده‌ای انجامیده است. فقط 3/2 از قدرت پراکندگی قابل انتظار به طور تجربی به دست می‌آید. این مخصوصاً از آن جهت شگفت‌انگیز است که قدرت کل برای پراکندگی بار، در صورتی که دینامیک داخلی نوکلئون تأثیری نداشته باشد، توسط سطح مقطع اندازه گرفته شده‌ی الکترون-پروتون (با تصحیحاتی اندک) و بار هسته‌ای کا داده می‌شود. امکان اینکه نتیجه چیزی جز این باشد شگفت‌انگیز است. می‌توان چنین نتیجه گرفت که برهم‌کنس میان درجات آزادی نوکلئون و هسته که توسط اثر EMC آشکار می‌شود ممکن است در پدیده‌های انرژی-پایین نقشی مهمتر از آنچه که تاکنون تصور می‌شده است داشته باشد. اثر EMC، که نخستین بار با استفاده از باریکه‌های میونی با انرژی‌های خیلی بالا در آزمایشگاه سرن در ژنو ملاحظه شد. مشاهده‌ی تجربی این موضوع است که توزیع‌های تکانه‌ی کوارک در هسته‌ها تغییر می‌کنند. مخصوصاً، این تغییر به گونه‌ای که به نظر می‌رسد در نواحی با چگالی هسته‌ای بالاتر، مقیاس محبوس سازی کوارک‌ها بسیار بیشتر است. با مطالعه‌ی انرژی و توزیع زاویه‌ای نوکلئون‌های گسیل شده به ازای انتقال تکانه و انرژی ثابت، اندازه‌گیری‌های جدید باید مشخص کنند که چه فرایندهایی عامل اصلی در این کاهش قدرت هستند. قله‌ی دوم مربوط به برانگیزش حالت‌های ? است. ملاحظه می‌کنیم که پاسخ هسته‌ای برای هسته‌های با عدد جرمی بزرگتر از 4 تقریباً یکسان است. ولی با پاسخ یک پروتون آزاد بسیار متفاوت است. قله، در اتلاف انرژیی کمتر از آنچه که برای یک پروتون آزاد به‌دست می‌آید رخ می‌دهد، که دلیلی است بر اینکه پتانسیلی که ? در معرض آن است ضعیفتر از پتانسیلی است که نوکلئون در آن قرار می‌گیرد. کانون کارهای جاری بر فهم چگونگی برهم‌کنش ? با سایر نوکلئون‌ها یا خوشه‌هایی از نوکلئون‌ها در هسته است. این گونه سؤال‌ها پیرامون برهم‌کنش میان درجات آزادی نوکلئون و هسته، برای توسعه بخشیدن به درک ما از نیروی هسته‌ای با برد متوسط و برد کوتاه، هم تحت شرایط عادی و هم در ماده‌ی چگال، اهمیت فراوان دارد.
معادله‌ی حالت هسته
برخوردهای بین یون‌های سنگین انرژی بالا، فرصت منحصر به فردی را برای کاوش خواص ماده‌ی هسته‌ای در چگالی‌ها و دماهای فوق‌العاده بالا، که ممکن است در آن اشکال جدید و غریبی از ماده‌ی هادرونی وجود داشته باشد، به دست می‌دهد. دانستن معادله‌ی حالت هسته، علاوه بر آنکه به خودی خود جالب است، در فهم اجزایی از جهان که از نظر زمانی و مکانی خیلی دور هستند، نظیر مهبانگ، انفجارهای ابر نواخترها، و داخل ستاره‌های نوترونی، اهمیت فراوان دارد. بررسی مستقیم معادله‌ی حالت هسته اخیراً با دست‌یابی به باریکه‌های هسته‌های سنگین با انرژی‌هایی تا GeV1 بر نوکلئون در بر کلی آغاز شده است. این هسته‌ها آنقدر سریع‌اند که نوکلئون‌هایی که در برخورد شرکت می‌کنند نمی‌توانند از حجم برهم‌کنش رهایی یابند-لذا این نوکلئون‌ها انباشته می‌شوند و محیط هسته‌ای شدیداً برانگیخته و متراکم می‌شود. فشار بالای تولید شده در یک رویداد برخورد، متعاقباً منجر به انبساط سریع ماده‌ی هسته‌ای می‌شود و تعداد زیادی پیون، نوکلئون، و هسته‌های سبک تولید می‌کند. با استفاده از توزیع این ذرات گسیل شده می‌توان ویژگی‌های ماده‌ی داغ و چگال اولیه را تشخیص داد. آثار مشاهده‌پذیر تراکم عبارت‌اند از شارش جمعی جانبی و بستگی تعداد پیون تولید شده به انرژی تراکم هسته‌ای که به‌طور نظری توسط دینامیک سیالات هسته‌ای پیش‌بینی می‌شود. این هر دو اثر نتیجه‌ی ایجاد فشار بالاست، که موجب انتقال تکانه‌ی عرضی بزرگ و تغییر در دمای دستگاه می‌شود. اخیراً هر دو اثر یاد شده به‌طور تجربی در قالب دو همکاری میان آزمایشگاه GSI در آلمان غربی و آزمایشگاه LBL در برکلی مشاهده شده‌اند. نخستین گروه، یک سیستم آشکار ساز الکترونیکی جدید برای ذرات مختلف به نام توپ پلاستیکی ابداع کرده است، که تعیین همزمان تعداد کل ذرات گسیل شده در یک رویداد برخورد خاص، و نیز انرژی هریک از آن‌ها را ممکن می‌سازد؛ به این ترتیب بازسازی کامل رویدادها میسر می‌شود. کار مشترک GSI/LBL، تفاوت خیره کننده‌ای را میان برخوردهای تقریباً مرکزی (رویدادهای با تعداد زیاد ذرات تولید شده) و واکنش‌های با پارامترهای برخورد بزرگتر (تعداد کمتری ذرات بیرون رونده) نشان داده است. یک طیف واضح گسیل جانبی برای رویدادهای از نوع اول در سیستم Nb+Nb دیده شده است، و حال آنکه واکنش‌های کمتر مرکزی منجر به توزیع‌های زاویه‌ایی می‌شوند که دارای قله‌هایی در زوایای جلو هستند. نتایج کاملاً مشابهی در یک آزمایش با اتاقک شارشی برای واکنش +Pb(8/0GeV بر نوکلئون)Ar به دست آمده است. مطالعات جدیدتری نیز با استفاده از برخوردهای طلا با طلا صورت گرفته و معلوم شده است که در این سیستم، آثار شارش جمعی باز هم قویتر است. این آزمایش‌های پیشتاز، بر رفتار شاره گونه‌ی جمعی، که شازوکار کلیدی آفرینش و مطالعه‌ی ماده‌ی چگالی و داغ در برخوردهای هسته‌ای انرژی – بالاست، مهر تأیید می‌زنند. این داده‌ها، هر نظریه‌ی میکروسکوپیکی را به مبارزه می‌طلبند: روش آبشاری، پتانسیل دافعه‌ی تراکم را نادیده می‌گیرد و فرض می‌کند که برخوردهای هسته‌ای از طریق یک رشته برخوردهای مستقل نوکلئون-نوکلئون در فضای آزاد صورت می‌گیرند. حتی در برخوردهای مرکزی، این روش پیش‌بینی می‌کند توزیع زاویه‌ای باید دارای قله‌هایی در زوایای جلو باشد، که داده‌ها خلاف آن را نشان می‌دهند. اخیراً یک نظریه‌ی میکروسکوپیکی درباره‌ی واکنش‌های یون‌های سنگین ابداع شده است که یک معادله‌ی حالت سخت ( معادله‌ای با یک ثابت تراکم بالا) را به کار می‌گیرد و این امر زوایای شارش جانبی بزرگ را که در آزمایش مشاهده شده‌اند توجیه می‌کند. شاهد دیگری بر معادله‌ی حالت سخت از یک تحلیل تکانه‌ای بدیع که برای سیستم Ar+KCI در انرژی GeV8/1 بر نوکلئون صورت گرفته است، سرچشمه می‌گیرد. تأیید بیشتر برای یک معادله‌ی حالت سخت، از تعداد پیون‌های تولید شده که رویداد-به-رویداد در اتاقک شارشی برای برخوردهای تقریباً مرکزی KCI(8/1تا4/0GeV نوکلئون)Ar بر اندازه گرفته شده اند، نشأت می‌گیرد. تعداد پیون تولیدی محاسبه شده از مدل آبشاری (که پتانسیل تراکم را نادیده می‌گیرد) خیلی بیش از داده‌های تجربی است. حدس زده می‌شود که تفاوت میان تعداد پیون تولیدی اندازه گرفته شده و مقادیر محاسبه شده از مدل آبشاری، ناشی از نادیده گرفتن ناگزیر انرژی تراکم در روش آبشاری است، و لذا ممکن است بتوان با استفاده از این اختلاف، معادله‌ی حالت هسته را در چگالی‌های بالا به دست آورد. در واقع، معادله‌ی حالت هسته که از این اختلاف به‌دست می‌آید در محدوده‌ی چگالی‌های دسترس‌پذیر در آزمایش، سریعاً افزایش می‌یابد. باردیگر، مقایسه‌ی با نظریه‌ی میکروسکوپیک، نیاز به معادله‌ی حالت سخت را اثبات می‌کند. پیشرفت‌های زیادی در هر دو زمینه‌ی تجربی و نظری پیرامون روش‌های مطالعه‌ی برخوردهای یون‌های سنگین نسبیتی به عمل آمده است. با نخستین نگاه اجمالی به معادله‌ی حالت هسته، به نظر می‌رسد که تراکم ناپذیری‌های بزرگ خیره کننده‌ای در چگالی‌های تقریباً 204 برابر چگالی حالت پایه وجود داشته باشد. در دهه‌ی آینده، هنگامی که با استفاده از شتاب‌دهنده‌های سرن و بروکهاون به انرژی‌های فرانسبیتی دست پیدا کنیم، با مشکلات بزرگتر از این‌ها هم روبه‌رو خواهیم شد.
پراکندگی نوترینو- الکترون
نظریه‌های جاری و پرطرفدار درباره‌ی نیروهای بنیادی، نظریه‌های پیمانه‌ای‌اند. در این نظریه‌ها، نیروهای گرانشی، الکترومغناطیسی، و همچنین نیروهای قوی و ضعیف هسته‌ای که بین فرمیونها عمل می‌کنند، توسط تبادل بوزون‌ها انتقال می‌یابند همین شباهت اساسی در ساختار این نظریه‌هاست که به طور وسوسه انگیزی پیشنهاد یک توصیف تنها و وحدت یافته را برای این چهار نیرو به پیش می‌کشد. پیشرفت عمده‌ای در وحدت نیروی الکترومغناطیسی و نیروی هسته‌ای ضعیف حاصل گشته است. این نظریه‌ی پیمانه‌ای الکترو ضعیف منتسب به واینبرگ، سلام و گلاشو (WGS) با تبادل چهار بوزون برداری-فوتون، ذرات باردارW (W^-,W^+) ، و Z خنثی مشخص می‌شود. تاکنون برهم کنش‌های ضعیف در واکنش‌هایی که شامل تبادل بوزون‌های Z وW هستند، و نیز توسط تداخل میان Z و فوتون‌ها مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. اکنون، در آزمایشی که در تسهیلات فیزیک مزونی لوس‌آلاموس (LAMPF) جریاندارد، شواهد مبنی بر تداخل Z-W+در شرف آشکار شدن‌اند. آزمون مهم دیگر پیرامون نظریه‌ی WGS، با پراکندگی کشسان نوترینوهای الکترونی توسط الکترون‌ها، v_e e-e، صورت می‌گیرد. پراکندگی vee از طریق جریان‌های ضعیف باردار و خنثی-تبادل بوزون‌های W+وZ0هر دو-رخ می‌دهد، و لذا نسبت به تداخل آن‌ها حساس است؛ نظریه‌ی WGS، تقریباً یک کاهش 40 درصدی را در سطح مقطع کشسان کل پیش‌بینی می‌کند. با استفاده از یک باریکه‌ی شدید v_e (با انرژی‌های تا MeV53) از متوقف کننده‌ی باریکه‌ی پروتونی LAMPE، دانشگاه کالیفرنیا در ایروین، آزمایشگاه لوس آلاموس، و دانشگاه مریلند با همکاری یکدیگر نخستین مشاهده‌ی تجربی پراکندگی v_e انجام داده‌اند.
رویدادهای پراکندگی نوترینو-الکترون به صورت مسیرهای منفرد پس‌زنش الکترون در یک آشکارساز15 تنی که در نزدیکی متوقف کننده‌ی باریکه قرار گرفته است، ظاهر می‌شوند. انتظار می‌رود که این رویدادها در یک مخروط 16 درجه‌ای در حول امتداد نوترینو‌ی فرودی متمرکز باشند، و در واقع نیز توزیع زاویه‌ای مشاهده شده، یک قله‌ی بارز را در زوایای جلو نشان می‌دهد. آهنگ اندازه گرفته شده، حتی با شتاب‌دهنده‌ی LAMPFکه باریکه‌ای از پروتون تا mA1 را تولید می‌کند، فقط تقریباً هر 2 روز یک رویداد است. پس از 6 ماه مطالعه، آزمایشکاران 15+51 رویداد را برای پراکندگی v_e e گزارش کرده‌اند. این نتیجه با پیش‌بینی 8+53 رویداد توسط نظریه‌ی WGSسازگار است. آزمایش یاد شده، با قصد افزایش قابل توجه تعداد رویدادهای v_e e، در نتیجه بیان قاطعی پیرامون تداخل Z-W+ادامه دارد.
قله‌های بی‌هنجار پوزیترون در سیستم‌های برخورد کننده‌یسنگین
در موارد بسیار در گذشته، توانایی ما در ایجاد شرایط خاصی در آزمایشگاه منتهی به اطلاعات منحصر به فردی پیرامون ساختار ماده شده است. با برخورد پرتابه‌های سنگینی نظیر Thو U با اتم‌های Th ، Uو Cm در انرژی‌هایی که بتواند این ذرات را به تماس با یکدیگر در آورد، چنین موقعیت‌هایی بالقوه ایجاد می‌شود. در مدت زمان کوتاهی که دو هسته نزدیک یکدیگرند. کل بارهای هسته‌ای ممکن است مغزی مرکزی شبه اتمی را به وجود آورند که محیط اتمی قابل انتظار در یک اتم ابر سنگین با عدد اتمی تا 188 را ایجاد کند. علت توجه خاص به این گونه سیستم‌ها، وجود میدان‌های الکتریکی با شدت‌های فوق‌العاده زیاد است که داخلترین الکترون‌ها لایه‌ی K در شبه اتم یاد شده را با انرژی بیش از دو برابر انرژی سکون الکترون (mc22) به قید می‌کشد و به این ترتیب، آزمودن این عقیده‌ی بنیادی در نظریه‌ی کوانتومی میدان‌ها که پوزیترون می‌تواند در میدان‌های ایستای قوی خارجی خود به خود از خلأ زاده شود را ممکن می‌سازد.
به بیان روشنتر، سرچشمه‌ی ناپایداری در خلأ الکترون پوزیترون را می‌توان به صورت تغییری در سرشت حالت مقید الکترون، هنگامی که انرژی بستگی آستانه‌ی 2mc2 فراتر می‌رود، در نظرگرفت. هنگام عبور از این مرز، حالت مقید تبدیل به یک تشدید می‌شود و حالت واپاشنده‌ای را به وجود می‌آورد که سرآغاز ناپایداری است. از ملاحظات انرژی می‌توان نشان داد که اگر حالت‌های لایه‌ی K اشعال نشده باشند، خلأ آن‌ها را با ایجاد زوج پر می‌کند و به این ترتیب خود به خود پوزیترون مربوط به زوج را گسیل می‌دارد. بنابراین، در الکترودینامیک کوانتومی (QED) پیش‌بینی می‌شود که خلأ خنثی (بار لخت هسته‌ای به صورت یک ناظر در نظر گرفته می‌شود) در میدان‌های الکتریکی ابر بحرانی جرقه بزند و پوزیترون‌های حاصل، انرژی جنبشیی مساوی با مازاد انرژی بستگی لایه‌ی K از 2mc2را حمل کنند. خلأ باردار حاصل، حالت پایه‌ی جدید QED در میدان‌های ابر بحرانی است. امکان آنکه این فرایند واقعاً مشاهده شده باشد، اخیراًبا کشف مهم قله‌های پوزیترون باریک گسیل شده در سیستم‌های برخورد کننده‌ی ابر بحرانی در انرژی‌های بمباران نزدیک به سد کولنی، افزایش یافته است. باید تأکید کرد که با مشاهده‌ی این قله‌ها، علاوه بر امکان ارتباط آن‌ها با گسیل خود به خودی پوزیترون، به دلایلی کلی توجه بسیار زیادی را برانگیخته است زیرا صرف پیدا شدن چنین ساختارهای باریک و انرژی-پایین پوزیترون، به سهم خود بی هنجار است و به توضیح نامتداولی احتیاج دارد که احتمالاً در بردارنده‌ی چشمه‌ای است که قبلاً آشکار نشده است. اگر این قله‌های باریک در واقع مشخصاً در ارتباط با گسیل خود به خودی پوزیترون باشند، در این صورت این موضوع جالب پیش می‌آید که نوعی سیستم با طول عمر زیاد تشکیل می‌شود و این سیستم سرمنشأ میدان ابر بحرانی است.
در این ارتباط، گراینر و همکارانش نشان داده‌اند که ظهور قله‌ی پوزیترون در سیستم برخورد کننده‌ی U+Cm، انرژی و شدت آن، همه، را می توان با پیشنهاد تشکیل یک سیستم خیلی بزرگ دو هسته‌ای فراپایدار (با عمر تقریبی ?10?^(-19) s) با بارکل z_u=188 در کسر کوچکی (1/0%) از برخوردهای نزدیک، توجیه کرد. سازوکار توصیف این پیکربندی شبه مولکولی هسته ای به این صورت است که اجزای برخورد کننده در حفره‌ای که در پتانسیل کولنی توسط نیروهای هسته ای تشکیل می‌شود به دام می‌افتند. بنابراین، طیف های خطی پوزیترون ممکن است به منبع اطلاعاتی منحصر به فردی درباره‌ی گونه‌های غریب هسته‌ای با جرم‌هایی خیلی بیش از جرم هر هسته‌ی مرکبی که تا به امروز تشکیل شده است، تبدیل شوند.
با این همه، وقتی مقایسه‌ی با آزمایش را به سایر سیستم‌های برخورد کننده تعمیم می‌دهیم، این پیشنهاد مواجه با اشکالاتی می‌شود. یک ویژگی مخصوصاً متمایز این مدل، مقیاس بندی قابل توجه ?z_u?^20 برای انرژی‌های قله در مورد سیستم‌هایی با توزیع‌های بار هسته‌ای و حالت‌های یونشی مشابه است. این پیش‌بینی برای بارهای ابر بحرانی در گستره‌ی 180 تا188 آزموده شده است. بر خلاف یک ضریب 3 که از مقیاس بندی ?z_u?^20 (z به توان 20) انتظار می‌رود، در انرژی قله‌ها یک تساوی تقریبی دیده شده است. این نتایج را فقط در تصویر گسیل خود به خود پوزیترون در وضعیت بعیدی که در آن پیکر بندی های بار هسته‌ای و حالت‌های یونشی کاملاً متفاوتی ا به سیستم‌های مرکب نسبت می‌دهند (با z_u های اتفاقی به گونه‌ای که یک انرژی بستگی ثابت لایه‌ی K را حفظ کنند) می‌توان توجیه کرد. اکنون این سؤال پیش می‌آید که آیا این قله‌هادر سیستم‌هایی که در آن‌ها انتظار بستگی ابر بحرانی نمی‌رود نیز رخ می‌دهند یا خیر. با دنبال کردن این سؤال در سیستم Th+Ta با z_u=163، که کاملاً زیر آستانه‌ی گسیل خود به خودی پوزیترون، z_u=173، برای چگالی متعارف هسته‌ای است، یک گروه (آزمایشکار)، قله‌ای را تقریباً با همان مشخصاتی که در سیستم‌های ابر بحرانی یافت می‌شود، مشاهده کرده است. تحلیل‌های اخیر ظاهراً حکایت از این می‌کند که بخش اعظم شدت قله نمی‌تواند مربوط به یک گذار هسته‌ای باشد. اگر پس از بررسی‌های دقیقتر باز هم این نتیجه گیری درست باشد، تولید خودبهخودی پوزیترون به عنوان یک منشأ احتمالی برای تمام قله‌ها بشدت رد می‌شود. در توجیه ویژگی برجسته‌ی یک انرژی قله‌ی مشترک، این پیش‌بینی مطرح شده است که قله‌ها ممکن است از واپاشی دو-جسمی ذره‌ی خنثایی که در برخوردها تولید شده ولی قبلاً آشکارسازی نشده است منشأ بگیرند. یک سیگنال واضح برای وجود چنین ذره‌ی خنثایی می‌تواند توسط یک الکترون تک انرژی حاصل از واپاشی ذره به e^++e^- و نیز یک انرژی کل آزمایشگاهی خیلی مشخص برای زوج فراهم شود. آفرینش زوج‌های ذرات باردار نیز امکان دیگری است که باید آن را در نظر گرفت. آزمایشی که هر دوی این پیش بینی‌ها را بررسی می‌کند اکنون در GSI، دارمشتارت، آلمان غربی، در حال انجام است.
بعضی رفتارهای جدید در اسپین‌های بالا
در یکی دو سال گذشته نظرهای جدیدی در فیزیک هسته‌ای اسپین‌های بالا اظهار شده است. علت این امر پیدا شدن یک روش نظری که خوشبختانه تا حدودی دارای قدرت واقعی پیش‌بینی است، و نیز برخی پیشرفت‌های تجربی بوده است. این روش، نیروهای کوریولی و گریز از مرکز را با دوران (چرخاندن) یک پتانسیل مدل لایه‌ای در حول یکی از محورهایش، وارد سیستم هسته‌ای می‌کند. تغییر بسامد چرخش، گستره‌ای از حالت‌های با گشتاورهای زاویه‌ای متفاوت (اسپین) را تولید می‌کند، درست همان گونه که تغییر دادن تراز فرمی در پتانسیل، گستره‌ای از هسته‌های با تعداد مختلف نوکلئون را تولید می‌نماید. از نظر تجربی، فیزیک اسپین‌های بالا مبتنی بر طیف نگاری پرتوهای گاما است و در حال حاضر آرایه‌های بزرگی از آشکار سازهای ژرمانیوم( که اثر کامپتون در آن‌ها مهار شده است) با قدرت تفکیک بالا در دست ساختمان است. این آشکار سازها را در اطراف توپهایی بنا می‌کنند با قدرت تفکیک پایین که کاملاً تنگاتنگ هم قرار گرفته‌اند و اصولاً تک تک 20-30 پرتوی گامای گسیل شده در واانگیزش یک حالت اسپین – بالا را آشکار می‌کنند. این پیشرفت تجربی در آزمایشگاه دارزبری در انگلستان به وقوع پیوسته است، و مطالعات در اسپین‌های حدود 40 در هسته‌های خاک‌های نادر را، که در آن‌ها دگرگونی‌های رفتاری جالبی رخ می‌دهد، امکان‌پذیر می‌سازد. در این‌جا سه ایده‌ی جدید را که از این مطالعات نشأت می‌گیرد توصیف می‌کنیم. یکی از چندین تغییر مهمی که بر اثر لفزایش اسپین در هسته‌ها رخ می‌دهد، با تزویج در ارتباط است. زوج‌های نوکلئون‌های مشابه سعی می‌کنند که در مدارهای زمان- معکوس با یکدیگر جفت شوند و اسپین کل صفر را بدهند. گاهی اوقات تعدادی از این زوج‌های با اسپین صفر به گونه‌ی همدوسی موسوم به همبستگی‌های تزویجی خیلی شبیه به ابر رسانا‌ها و ابر شاره‌ها، از یک مدار به مدار دیگر پراکنده می‌شوند. ابر شارگی هسته‌ای نه تنها با دما ( شبیه مانسته‌های ماکروسکوپیک آن) بلکه با گشتاور زاویه‌ای، که مستلزم باز جفتیدگی زوج‌ها به اسپینی بزرگتر از صفر است، فرو نشانده می‌شود. تزویج هسته‌ای شکننده است – مبتنی بر فقط 6 یا 8 نوکلئون از هر نوع – و نمی‌تواند در تکانه‌های زاویه‌ای بالا دوام آورد. در ناحیه‌ی چرخشی هسته‌های خاک‌های نادر، انتظار می‌رود که همبستگی‌های تزویجی نوترون وقتی اسپین به 40 می‌رسد از میان برود، و تجربه نیز نشان می‌دهد که بخش اعظم این همبستگی از میان می‌رود. با این همه، باز هم مشاهده می‌شود که تعداد حالت‌هایی که در آن‌ها جفت شدگی بعضی از زوج‌های نوترون با اشپین صفر است، بیش از تعداد حالت‌های با سایر جفت شدگی‌ها برای این نوترون‌هاست. این نشانه‌ی آن است که بعضی از آثار تزویج هنوز باقی است و اکنون پیشنهاد شده است که همبستگی‌های تزویجی (که مربوط به چرخش‌هادر فضای پیمانه‌ای‌اند) پایان نمی‌یابند بلکه در عوض تبدیل به افت و خیزهای تزویجی (ارتعاش‌هایی در فضای پیمانه‌ای) می‌شوند. این افت و خیزها نیز باید با افزایش گشتاور زاویه‌ای از میان بروند, ولی آهسته‌تر, تا با تجربه سازگارتر باشند. یک سؤال اساسی این است که نوکلئون‌ها برای تولید یک اسپین بالا چگونه با هم جفت می‌شوند؟ دومین پیشرفت جدید پاسخ به این سؤال را در مورد تعدادی نوکلئون واقع در خارج یک لایه‌ی بسته, (نوکلئون‌های ظرفیت) تا حدودی روشن می‌سازد. محاسبه و تجربه در این امر توافق دارند که تعدادی کافی از نوکلئون‌های ظرفیت از هر نوع ( هم ÷روتون‌ها و هم نوترون‌ها) ترجیحاً یک هسته‌ی کشیده‌ی با چرخش جمعی را به وجود می‌آورند, و حال آنکه اگر این مقدار کافی نباشد, نتیجه‌ی امر هسته‌ای است به شکل پخت (یا, اگر اسپین پایین باشد, کروی) و یک رفتار غیر جمعی که در آن گشتاورهای زاویه‌ای ذرات جدای از هم جهت می‌گیرند. وضعیت جالبی در مرز میان این دو ناحیه رخ می‌دهد, جایی که در آن نوارهای پایانه‌دار می‌توانند وجود داشته باشند, که در آن‌ها اسپین‌های پایینتر به صورت جمعی می‌چرخند, اما به‌تدریج فشار برای حصول گشتاور زاویه‌ای بیشتر نوکلئون‌های ظرفیت را به حد غیر جمعی پخت می‌راند و نوار پایانمی‌یابد. این گونه نوارها در هسته‌های سبک دیده شده‌اند؛ مثال کلاسیک در این زمینه Ne است, که در آن نوار در اسپین 8 پایان می‌یابد. محاسبات اخیر ابتدا حاکی از آن بود که رفتار مشابهی ممکن است در هسته‌های خیلی سنگینتر نیز قابل مشاهده باشد. نخستین مثال تجربی نسبتا روشن Er است, که اخیراً معلوم شده است تا اسپین 30, کشیده و جمعی است, و پس از آن دنباله‌ای نامنظم, اما ظاهراً تا حدودی جمعی, از ترازها تا یک حالت غیر جمعی در اسپین 42 ادامه می‌یابد, و به احتمال قوی پایانه‌ی نوار پیش‌بینی شده‌ای دارد که در آن تمامی 10 نوکلئون ظرفیت کاملاً هم جهت‌اند. در هسته‌ی مجاور Er,، دنباله‌ی مشابهی دیده می‌شود که در اسپین 46 پایان می‌یابد (تمامی 12 نوکلئون ظرفیت آن، هم جهت‌اند). اینکه تا چه حد تصویر نوار پایانه‌دار می‌تواند این دنباله‌ها را توصیف کند در آینده معلوم خواهد شد، اما به نظر می‌رسد که لااقل حالت‌های پایانه‌دار با جهتگیری کامل تا حدود زیادی مطابق با محاسبات رخ می‌دهند. ایده‌ی سوم, تازه دارد فرمولبندی می‌شود اما دارای پیامدهای مهیجی است. اغلب کارهای انجالم شده در زمینه‌ی اسپین‌های بالا تاکنون، شامل تفکیک تک تک پرتوهای گاما، ساختن طرح وارهای تراز از آن‌ها، و تفسیر این طرح وارها بوده است. این روش برای اسپین‌های تا 30 یا 40 کارساز است، جایی که بیشتر جمعیت حاصل از یک واکنش هسته‌ای، به پایین‌ترین حالت‌های (سرد) معدود هر اسپین چگالیده می‌شود. با این همه، در اسپین‌های بالاتر، تقریباً تمامی جمعیت از تعداد زیادی حالت‌های شدیداً برانگیخته (داغ) می گذرند که در آن‌ها چگالی تراز کلی بالاست. تک تک پرتوهای گامای حاصل از این ناحیه را نمی‌توان تفکیک کرد، اما ویپگی‌های کلی آنها را می‌توان مطالعه کرد، مثلاً این نکته معلوم شده است که این پرتوها اکثراض از گذارهای نوع چرخشی‌اند. بنابراین اخیراً توجه به فهم این مطلب معطوف شده است که بر اثر بر هم نهش یک نوار چرخشی با چگالی بالایی از ترازهای دیگر، که تک تک اعضای نوار باید با آن‌ها مخلوط شوند، چه رخ می‌دهد. نتیجه‌ای که اخیراً به آن پی برده‌اند این است که همبستگی‌های معمولاً قوی میان انرپی‌های پرتو گاما در یک دنباله‌ی چرخشی، باید ضعیفتر باشند، و این چیزی است که با برخی از مشاهدات تجربی اخیر در توافق عالی است. برای پی بردن به اینکه در این آبشار های با اسپین خیلی بالا چه می‌گذرد، هنوز کارهای زیادی باید انجام داد، اما اینکه آمیزش ترازها (میرایی) دارای نقشی باشد، اکنون محتمل به نظر می‌رسد. اینکه شاید ما بتوانیم از مطالعات مربوط به اسپین‌های بالا چیزی راجع به میرایی بیاموزیم، تا حدود یک سال قبل کاملاً بعید به نظر می‌رسید.