بررسی تولد جهان با آزمایش های شبیه سازی برخورد ذرات

کندوکاوی در منشأ جهان با آزمایش‌های برخورد دهنده ذرات

دانشمندان با بازسازی و بررسی شرایط مشابه آنچه تنها چند میکروثانیه پس از بیگ بنگ وجود داشت، پیشرفت چشمگیری در درک ما از دوران ابتدایی جهان داشته‌اند. پژوهشی پیشگام که اخیراً در نشریه Physics Reports منتشر شده است، نشان می‌دهد که سنگین‌ترین ذرات بنیادی جهان که به عنوان «کوارک‌های سنگین» شناخته می‌شوند، چگونه تحت این شرایط بسیار شدید واکنش نشان می‌دهند و با محیط خود برهم‌کنش دارند. نتایج این مطالعات نه تنها آگاهی ما نسبت به تکامل اولیه کیهان را افزایش می‌دهد، بلکه فهم عمیق‌تری از نیروهای بنیادی که ساختار جهان را شکل داده‌اند، به دست می‌دهد.

زمینه علمی: کوارک‌های سنگین و پلاسمای کوارک-گلون

گروهی بین‌المللی از پژوهشگران از دانشگاه بارسلونا، مؤسسه فناوری هند و دانشگاه تگزاس A&M، تمرکز خود را بر ذراتی قرار داده‌اند که حاوی کوارک‌های سنگین هستند؛ به‌ویژه کوارک‌های چارم و باتم. این ذرات زیراتمی که در تشکیل هادرون‌هایی مانند مزون‌های D و B نقش دارند، از جمله سنگین‌ترین اجزای بنیادی شناخته‌شده در فیزیک ذرات به شمار می‌روند.

کوارک‌های سنگین از آن جهت اهمیت دارند که رفتار آن‌ها خصوصیات اساسی ماده را در شرایط مشابه با جهان اولیه آشکار می‌کند. برخلاف کوارک‌های سبک‌تر مانند «آپ» و «داون» که در پروتون و نوترون یافت می‌شوند، کوارک‌های سنگین نادر بوده و تنها در محیط‌های بسیار پرانرژی مانند آنچه در بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده‌های ذرات جهان ایجاد می‌شود، به وجود می‌آیند.

شبیه‌سازی جهان اولیه در آزمایشگاه

برای بازآفرینی این شرایط فوق‌العاده، پژوهشگران از شتاب‌دهنده‌های پیشرفته‌ای مانند برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) در سرن و برخورددهنده یون سنگین نسبیتی (RHIC) استفاده می‌کنند. با برخورد هسته‌های اتمی سنگین با سرعتی نزدیک به سرعت نور، این آزمایش‌ها به طور موقت دماهایی را ایجاد می‌کنند که هزار برابر بیشتر از مرکز خورشید است.

این برخوردهای پرانرژی، به صورت گذرا، حالتی ویژه از ماده به نام پلاسمای کوارک-گلون را به وجود می‌آورد. این «سوپ» اولیه از کوارک‌ها و گلوئون‌های آزاد، شرایطی مشابه کمتر از یک میلیونیم ثانیه پس از بیگ بنگ دارد. با سرد شدن تدریجی این پلاسمای فوق‌داغ، ماده به ذرات هادرونی مانند پروتون، نوترون و همچنین باریون‌ها و مزون‌های کمتر رایج تبدیل می‌شود. شناخت این گذار، کلید فهم تحول از آشوب نخستین ذرات به اتم‌های ساختاری امروز جهان است.

کوارک‌های سنگین، آشکارسازهای طبیعی در وضعیت‌های بسیار شدید

کوارک‌های سنگین در این آزمایش‌ها نقش حسی و آشکارسازی پراهمیتی دارند. به دلیل جرم بالای خود، نسبت به همتایان سبک‌تر آهسته‌تر حرکت می‌کنند و به محیط خود واکنش متفاوتی نشان می‌دهند و به همین دلیل رهگیرهای موثری در پلاسما محسوب می‌شوند. دکتر «خوان ام. تورس-رینکن» از دانشگاه بارسلونا توضیح می‌دهد: «حتی پس از سرد شدن سامانه، ذرات سنگین به تعاملات خود ادامه می‌دهند و داده‌های کلیدی در مورد چگونگی از دست رفتن انرژی و رفتار ماده در فرآیند گذار ارائه می‌دهند. بی‌توجهی به این مرحله، شکافی مهم در دانش ما به جا می‌گذاشت.»

می‌توان این موقعیت را چنین تصور کرد: انداختن جسمی سنگین در استخر شلوغ. حتی بعد از موج اولیه، جسم با شناگران و آب برخورد می‌کند و مسیر حرکتش همچنان تحت تأثیر قرار می‌گیرد. کوارک‌ها و هادرون‌های سنگین در آزمایش‌های شتاب‌دهنده نیز به همین صورت پس از شکل‌گیری، تعاملاتی با ذرات سبک‌تر دارند که ویژگی‌هایی مانند چگونگی جریان ذرات و اتلاف انرژی را تعیین می‌کند.

یافته‌های کلیدی و پیامدها

تحقیقات پیشین عمدتاً بر مرحله پلاسمای کوارک-گلون که داغ‌ترین و ابتدایی‌ترین است متمرکز بودند. با این حال، پژوهش جدید نشان می‌دهد که مرحله سرد شدن پلاسما و تبدیل آن به ماده هادرونی نیز برای درک نحوه اتلاف انرژی ذرات زیراتمی و سازمان‌یابی آن‌ها به همان اندازه حیاتی است. برهم‌کنش پیچیده بین مزون‌های سنگین (D و B) و ذرات سبک‌تر، داده‌های حاصل از این آزمایش‌ها را به شکل قابل توجهی تحت تأثیر قرار داده و مدل‌های ما از تحول جهان اولیه را دقیق‌تر می‌کند.

این یافته‌ها برای تحلیل نتایج آزمایش‌های فعلی و آینده اهمیت زیادی دارند. پژوهشگران در نظر دارند مطالعات خود را در انرژی‌های برخوردی پایین‌تر مانند شتاب‌دهنده «سوپر پروتون سینکروترون» در سرن و مجموعه تحقیقاتی «FAIR» در آلمان ادامه دهند. دستاوردهای حاصل می‌تواند به حل برخی از بزرگ‌ترین رمز و رازهای کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات کمک کند.

جمع‌بندی

دانشمندان با بازآفرینی اولین میکروثانیه‌های جهان در برخورددهنده‌های قدرتمند، روند تحول ماده از حالت ابتدایی به ساختارهای پیچیده امروز را رمزگشایی می‌کنند. مطالعات دقیق رفتار کوارک‌های سنگین، نقشه‌ای از خواص ماده داغ و چگال و نیروهای حاکم بر تحول آن ارائه می‌دهد. این پژوهش‌ها ما را یک گام به پاسخ پرسش‌های بنیادی درباره منشأ جهان، ماهیت ماده و قوانین پایه فیزیک که تاریخ کیهانی را شکل داده‌اند، نزدیک‌تر می‌سازد.