کشف شواهد جدید: جهان اولیه مانند «سوپ چرخنده» بوده است

پلاسمای کوارک-گلوئون: مایع اولیه کیهان

این سوپ چسبناک، که از نظر علمی پلاسمای کوارک-گلوئون (QGP) نامیده می‌شود، اولین و داغ‌ترین مایعی است که تاکنون در تاریخ کیهان وجود داشته است. پیش‌بینی‌های نظری حاکی از آن است که QGP، پیش از انبساط، خنک شدن و تشکیل اتم‌ها، برای کسری از میلیونیم ثانیه، با حرارتی معادل یک میلیارد برابر داغ‌تر از سطح خورشید شعله‌ور بوده است.

تیمی از فیزیکدانان برجسته از MIT و CERN، برخوردهای یون‌های سنگین را که منجر به تشکیل QGP می‌شوند، بازسازی کرده‌اند. هدف اصلی این آزمایش‌ها، بررسی دقیق خواص این ماده منحصربه‌فرد بود. سوال اصلی این بود: آیا کوارک‌ها هنگام عبور از این پلاسما، مانند یک مایع چسبنده پس زده و پاشیده می‌شوند، یا به صورت تصادفی پراکنده می‌گردند؟

ردیابی کوارک‌ها در LHC

برای پاسخ به این پرسش حیاتی، محققان داده‌های حاصل از برخورد ذرات سرب را که با سرعتی نزدیک به سرعت نور در برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) سرن به یکدیگر برخورد کردند، تجزیه و تحلیل کردند. این برخوردهای پرانرژی، منجر به تولید افشانه‌هایی از ذرات پرانرژی مانند کوارک‌ها و همچنین قطراتی از QGP می‌شوند که گویی از دل کیهان نوپا نشت کرده‌اند.

فیزیکدانان با اتخاذ یک استراتژی نوآورانه که دیدگاهی بی‌سابقه از برخوردهای یون‌های سنگین فراهم می‌کرد، توانستند حرکات کوارک‌ها را در QGP ردیابی کرده و نقشه انرژی QGP را پس از این برخوردها ترسیم کنند.

ین‌جی لی، فیزیکدان MIT، اظهار داشت: «اکنون ما مشاهده می‌کنیم که پلاسما فوق‌العاده متراکم است، به حدی که می‌تواند سرعت یک کوارک را کاهش داده و مانند یک مایع، پاشش‌ها و چرخش‌هایی ایجاد کند. بنابراین پلاسمای کوارک-گلوئون واقعاً شبیه یک سوپ اولیه است.»

کوارک‌هایی که با سرعت از QGP عبور می‌کنند، بخشی از انرژی خود را به پلاسما منتقل کرده، سرعت خود را از دست می‌دهند و مانند یک قایق پرسرعت در آب، ردی از خود بر جای می‌گذارند.

کریشنا راجاگوپال، فیزیکدان MIT و توسعه‌دهنده مدل پیش‌بینی‌کننده خواص سیال QGP، توضیح داد: «به طور مشابه، وقتی یک قایق در دریاچه حرکت می‌کند، رد آب پشت قایق در جهت حرکت قایق حرکت می‌کند. قایق تکانه را به ناحیه‌ای از آب منتقل کرده است که آن را دنبال می‌کند.»

چالش‌های شناسایی رد آشفته

برخلاف رد تمیزی که در آب پشت قایق مشاهده می‌شود، محققان مجبور بودند وجود آشفته این رد را در قطرات QGP استنباط کنند. این فرآیند مستلزم مرتب‌سازی ده‌ها هزار ذره با تعامل شدید در پلاسمای تریلیون درجه‌ای بود که معمولاً برای یک کوادریلیونیم ثانیه در LHC وجود دارد، تا بتوانند ذرات نسبتاً کمی را که توسط رد جابجا شده‌اند، شناسایی کنند.

این کار به هیچ وجه آسان نبود. راجاگوپال توضیح داد که کوارک‌ها هنگام تولید در برخوردهای LHC، هرگز به تنهایی وجود ندارند. آنها معمولاً در کنار آنتی‌کوارک‌ها، ذرات همتای خود با بار مخالف، تشکیل می‌شوند. کوارک و آنتی‌کوارک با سرعت یکسان در جهت‌های مخالف حرکت کرده و هر کدام ردی ایجاد می‌کنند که تشخیص را پیچیده می‌سازد.

استفاده از بوزون Z برای وضوح بیشتر

به همین دلیل، فیزیکدانان به جای جستجوی جفت‌های کوارک-آنتی‌کوارک (مانند آزمایش‌های قبلی)، به دنبال جفت ذره متفاوتی بودند. گاهی اوقات، برخوردهای LHC منجر به ایجاد یک کوارک و یک «بوزون Z» می‌شود. بوزون Z یک ذره بنیادی خنثی است که به دلیل عدم تعامل با QGP، ردی از خود بر جای نمی‌گذارد.

این رویدادها بسیار نادر هستند. از ۱۳ میلیارد برخورد LHC که در این مطالعه تجزیه و تحلیل شد، تنها حدود ۲۰۰۰ مورد یک بوزون Z تولید کردند. با این حال، به دلیل عدم تعامل بوزون Z با QGP، محققان سرانجام توانستند رد ناشی از یک کوارک پرسرعت را با دقت بالا تجزیه و تحلیل کنند.

همانطور که مدل راجاگوپال پیش‌بینی کرده بود، QGP به عنوان یک مایع واکنش نشان داد و در پی کوارک، به صورت چرخشی و متلاطم حرکت کرد.

راجاگوپال تاکید کرد: «این شواهد قطعی و غیرقابل انکار از رفتار مایع‌مانند QGP است، اما بحث دیرینه در مورد اینکه آیا QGP مانند یک سیال جریان دارد و موج می‌زند، ممکن است هنوز به طور کامل حل نشده باشد. محققان دیگر مطمئناً نتایج را با دقت بررسی خواهند کرد.»

با این وجود، این تکنیک جدید چارچوبی قدرتمند برای بررسی فرآیندهای مشابه در انواع دیگر برخوردهای پرانرژی فراهم می‌کند و احتمالاً یکی از مرموزترین مواد تاریخ جهان را روشن خواهد کرد.

راجاگوپال در پایان گفت: «در بسیاری از زمینه‌های دیگر علم، روشی که شما در مورد خواص یک ماده یاد می‌گیرید، این است که آن را به نوعی مختل کنید و نحوه پخش و پراکندگی اختلال را اندازه‌گیری کنید. این همان بخش از چیزی است که فیزیک را سرگرم‌کننده می‌کند. اگر مطمئن نیستید که چیزی چگونه کار می‌کند، فقط آن را با سرعتی نزدیک به سرعت نور خرد کنید.»

این پژوهش پیشگامانه در مجله معتبر Physics Letters B منتشر شده است.