10 دقیقه
تصور کنید دریایی آنقدر داغ و چگال که نتوانید به یک ذرهٔ منفرد اشاره کنید و بگویید «آنجاست». در عوض همهٔ ذرات با هم جاریاند و مرزبندی مشخصی میان مولفهها دیده نمیشود. فیزیکدانان معتقدند چنین حالتی برای کوتاهترین لحظه پس از مهبانگ وجود داشته است: مایعی فوقالعاده داغ و فشرده با دماهایی در حد تریلیون درجه که به آن پلاسما کوارک–گلوئون یا QGP میگویند. نتایج جدید تیمهای MIT و CERN این تصویر قاعدتاً استعاری را واقعی میکند — آنها سرانجام نشانههایی یافتند که این مادهٔ اولیه رفتار جمعی و سیال داشته و هنگام برخورد یک کوارک پرشتاب، جریانها و گردابههایی تولید میکرده است.
بازآفرینی عالم نوزاد در درون LHC
برای مطالعهٔ شرایطی که تنها در میکروثانیههای نخست پس از مهبانگ حاکم بود، دانشمندان به برخوردهای یونهای سنگین متوسل میشوند. در بزرگترین شتابدهندهٔ جهان در CERN، یعنی برجبند ذرات بزرگ (Large Hadron Collider یا LHC)، هستههای سرب با سرعتی نزدیک به سرعت نور به هم میخورند. خشم جنبشی این برخوردها بهطور گذرا پروتونها و نوترونها را ذوب میکند و کوارکها و گلوئونهای سازندهٔ آنها را آزاد میسازد؛ نتیجه قطراتی از QGP به اندازهٔ هسته و با دمایی در حدود تریلیون درجه است.
این قطرهها برای زمانهایی بهشدت کوتاه — تقریباً در مرتبهٔ فمتوثانیه تا پیکوثانیه (از کسرهای بسیار کوچک ثانیه) — دوام میآورند و سپس همزمان با سرد شدن به دستهای از ذرات بنیادی تبدیل میشوند. در دل این هجوم ذرات، سرنخهای ظریفی از نحوهٔ پاسخ پلاسما به آشفتگیها مخفی شده است. آیا یک کوارک از میان این محیط عبور کرده و مانند قایقی پشت خود یک موج منظم و قابل تشخیص بهجا گذاشته است؟ یا انرژی کوارک بیشتر بهصورت پراکنده و تصادفی میان مولکولهای گازی توزیع شده است؟ سوال کلیدی این است که آیا QGP رفتار هیدرودینامیکی جمعی دارد یا صرفاً مجموعهای از برخوردهای پراکنده است.
تیم مشترک MIT و CERN راهحل هوشمندانهای برای بیرون کشیدن این سیگنال یافت. بهجای جستوجوی جفتهای معمول کوارک–پادکوارک که بهسرعت هادرونیزه و به جت تبدیل میشوند، آنها رویدادهایی را دنبال کردند که در آنها یک کوارک همزمان با بوزون Z تولید شده بود — ذرهٔ خنثیای که در عمل با QGP بر همکنش قوی ندارد. بوزون Z مانند یک نقطهٔ مرجع خاموش عمل میکند: انرژی و جهت کوارک اولیه را بدون ایجاد اختلال در خود پلاسما نشان میدهد. از حدود 13 میلیارد برخوردی که تیم تحلیل کرد، تنها حدود 2000 رویداد از این نوع کوارک–Z بهدست آمد، اما همین کمیابی نقطهٔ قوت روش بود؛ چون باعث حذف پسزمینههای پیچیده و آشفتگیهای معمول میشد.
با ردگیری بقایا توسط آشکارساز Compact Muon Solenoid (CMS)، پژوهشگران نقشهای از نحوهٔ بازتوزیع انرژی و تکانه در پشت کوارک ترسیم کردند. الگویی که بازسازی کردند بهروشنی سیالنماست: انرژی در ناحیهای تجمع یافته و همراه با عبور کوارک جریان یافته، و بهجای پراکندگی تصادفی، پاششها و گردابههایی تولید کرده است.
تصویری از کوارکی که هنگام عبور از پلاسما کوارک–گلوئون فوقالعاده داغ و چگال هنوز موجود در عالم اولیه، موج یا ردآب (wake) ایجاد میکند؛ این حالت برای کسری از ثانیه قبل از شکلگیری مادهای مانند نوترون و پروتون وجود داشت.
اهمیت وجود یک «ردآب»
ردآبها صرفاً استعارهٔ شاعرانه نیستند؛ آنها اثر انگشتِ تشخیصی ویژگیهای انتقالی یک محیطاند — ویسکوزیته، چگالی و نحوهٔ انتشار تکانه. اگر QGP مانند یک مایع نزدیک به کامل رفتار کند، یک کوارک با سرعت بالا باید کند شود و تکانهاش را به سیال اطراف واگذار کند و در نتیجه جریانِ دنبالکنندهای پدید آید. تحلیل جدید دقیقاً نشان میدهد که پلاسما چگالی کافی دارد تا کوارک را بهطور قابلتوجهی کند سازد و پاسخهای هیدرودینامیکی همگرا و منسجم را پشتیبانی کند.
کریشنا راجاگوپال از MIT، که در توسعهٔ مدلهای نظری رفتار QGP بهعنوان مایع نقش داشته، مدتهاست استدلال کرده که پلاسما باید رفتار جمعی از خود نشان دهد. اندازهگیریهای جدید با این پیشبینیها همخوانی خوبی دارند: جایی که آزمایشهای پیشین تنها نشانههایی از رفتار سیال را القا میکردند، این مطالعه آشفتگی ایجادشده توسط یک کوارک منفرد را جدا کرده و پاسخ محیط را با وضوح بیسابقهای میخواند.
چالشهای تجربی را نباید دستکم گرفت. کوارکها هرگز بهتنهایی در درون آشکارسازها سفر نمیکنند؛ آنها معمولاً با شرکایی تولید میشوند و تقریباً بلافاصله به هادرونها تبدیل شده و به جتهای ذرات بدل میشوند. جدا کردن یک ردآب ضعیف و هماهنگ از میان دهها هزار تِرَک متقابل در محیطی داغتر از میلیاردها خورشید نیازمند انتخاب رویداد هوشمند و کنترل آماری دقیق است. استفاده از بوزون Z بهعنوان نشانگری که با پلاسما برهمکنش ندارد، این کار را سادهتر ساخت، اما استخراج سیگنالِ پاک همچنان کار پردردسری بود و نیازمند مدلسازی پسزمینه، شبیهسازیهای مونتکارلو و کسرسازیهای دقیق بود.
در تحلیلهای دقیق، پژوهشگران باید اثرات مختلفی را در نظر میگرفتند: چگونگی بازسازی جتها، تداخلِ رویدادهای همزمان (pile-up)، و همچنین اثراتی که ناشی از عدم قطعیت در بازسازی تکانه و انرژی ذرات است. آنها با مقایسهٔ رویدادهای کوارک–Z با نمونههای مرجع، و با اعمال فیلترهای هندسی و انرژی، توانستند الگوهایی را استخراج کنند که بیشتر با پاسخ هیدرودینامیکی منسجم همخوانی داشت تا با توزیعهای تصادفی انرژی.
آشکارساز Compact Muon Solenoid (CMS) در CERN، که در این مطالعه برای ردیابی اثرات ردآب کوارک مورد استفاده قرار گرفت.
پیامدها برای نظریه و تاریخ کیهانی
تأیید پاسخ شبیه به مایع در QGP تصویر ما از عالم اولیه را تیزتر میکند و ابزارهای نظری بهکار رفته در فیزیک پرانرژی را تقویت مینماید. ویسکوزیتهٔ پایین و پیوند قوی میان مؤلفهها در پلاسما بر نحوهٔ مدلسازی گرماسازی (thermalization) پس از مهبانگ، شکلگیری نخستین هادرونها و حتی بعضی جنبههای برخورد و ادغام ستارههای نوترونی تأثیر میگذارد، چرا که در آنجا هم شرایطی بسیار شدید و چگال پدید میآید. بهعبارت دیگر: دانستن این که QGP مانند یک مایع بالا و پایین میشود، به فیزیکدانان دید محکمتری دربارهٔ چگونگی سازمانیابی ماده در آغازین پردهٔ عالم میدهد.
در عین حال، این نتیجه راه را برای بحثهای علمی بیشتر باز میگذارد. این مطالعه شواهد قانعکنندهای ارائه میکند، اما ادعاهای استثنائی همواره زیر ذرهبین قرار میگیرند. تحلیلهای مستقل، انرژیهای برخورد متفاوت و آشکارسازهای مکمل، پایداری نتیجه را آزمون خواهند کرد. اگر این نشانهها در رویکردها و تجربیات مختلف تأیید شوند، تکنیک استفاده از ردآب کوارک میتواند به یک ابزار استاندارد برای مطالعهٔ پلاسماهای بهشدت جفتشده در زمینههای دیگر تبدیل شود — از مطالعات آزمایشگاهی تا مدلسازی پدیدههای اخترفیزیکی.
برای نظریهپردازان، این نتیجه دعوتی است به بازبینی پارامترها و بهبود شبیهسازیهای هیدرودینامیکی. مدلهای مؤثرِ با میدانهای قوی و ابزارهای نظری مانند روشهای مؤثر میدان و ارتباطات ADS/CFT که مرزهای سفتِ بین نظریهٔ میدان کوانتومی و گرانش را درمینوردند، اکنون میتوانند با دادههای تجربی دقیقتری محک بخورند. یکی از پارامترهای کلیدی که مطابق با مطالعات قبلی مورد توجه قرار گرفته، نسبت ویسکوزیته به چگالی آنتروپی η/s است که برای QGPهای نزدیک به کامل مقدار بسیار کوچکی نشان میدهد؛ مطالعهٔ جدید به محدودسازی بهتر این نسبت کمک میکند.
دیدگاه کارشناسی
«دیدن یک ردآب در پلاسما مانند تماشای پدیدآمدن یک اثر انگشت است»، میگوید دکتر مایا سینگ (شخصیت فرضی)، اخترفیزیکدانی که شرایط بسیار چگال ماده را مطالعه میکند. «این به شما نمیگوید فقط که محیط وجود دارد، بلکه نشان میدهد چگونه تحت فشار رفتار میکند — چگونه تکانه و انرژی جریان مییابند. این اطلاعات برای تبدیل دادههای برخورددهندهها به مدلهای قابلاطمینان از عالم اولیه و همچنین اجسام چگال اخترفیزیکی ضروری است.»
این آزمایش همچنین نشاندهندهٔ پیشرفتهای عملی در فنون تحلیل است. ترکیب رویدادهای نادر بوزون Z با ردیابی دقیق، الگوی روشنی برای جدا کردن سیگنالهای کوچک در محیطهای بسیار پر سر و صدا فراهم میآورد. چنین الگوهایی میتوانند در جستوجوهای دیگر که اثرات ریز پاسخهای بزرگتری را پنهان میکنند، ثمر بخش باشند؛ برای مثال در مطالعهٔ تضعیف جت (jet quenching)، توزیع ذرات نرم دورِ جت و بررسی ساختار داخلی جتها در برخوردهای سنگین.
فیزیک در این مقیاس از «ویرانیِ کنترلشده» تغذیه میکند. چیزی را در آستانهٔ سرعت نور نابود یا متلاشی کنید و ببینید بقایا چگونه خود را بازنظم میدهند. اگر آتش نخستین عالم واقعاً مانند یک مایع رفتار کند، روایت نخستین لحظات کیهان تبدیل به داستانی از جریان، کشش و اتلاف میشود — رقصی خشونتآمیز و در عین حال برازنده که با کوارکها و گلوئونها نوشته شده است.
این پژوهش در Physics Letters B منتشر شده و راه را برای کاوشهای تازه در یکی از عجیبترین حالتهای ماده در طبیعت باز میکند. در گامهای بعدی، انتظار میرود تیمها با انرژیهای برخورد متنوعتر، آنالیزهای مولتیمتغیره و مقایسهٔ بینآزمایشگاهی (مثلاً میان CMS و آشکارساز ATLAS) پایداری نتایج را زیر آزمون قرار دهند. افزون بر این، یافتهها میتواند محرکی برای همکاریهای بینرشتهای میان فیزیکدانان تجربی، نظری و اخترفیزیکدانان باشد؛ چرا که مشابهتهایی میان شرایط QGP و محیطهای حاکم بر هستهٔ برخورد ستارههای نوترونی وجود دارد.
در پایان، کشفِ ردآبِ کوارک نهتنها گامی بهسوی درک بهتر مادهٔ اولیه است، بلکه نمونهای از چگونگی پیشروی علم است: ترکیب ایدههای نظری، طراحی آزمایش نوآورانه و تحلیلهای دقیق آماری تا نکتهای ظریف از طبیعت بهروشنی آشکار شود.
منبع: sciencealert
ارسال نظر