فیزیکدانان به تازگی کوارک هایی را دیده اند که در سوپ اولیه بیگ بنگ موج می زند

در برخورد دهنده بزرگ هادرونی سرن در سوئیس، فیزیکدانان پلاسمای کوارک-گلوئون را بازسازی کردند تا مواد تشکیل دهنده جهان جوان را مطالعه کنند. با برخورد یون‌های سنگین تقریباً با سرعت نور، محققان می‌توانند به طور خلاصه کوارک‌ها و گلوئون‌ها را جدا کرده و مقادیر بسیار کمی از همان نوع ماده‌ای را تولید کنند که در اولین میکروثانیه‌های جهان وجود داشت.

کوارک ها در پلاسمای اولیه بیدار می شوند

تیمی در سرن، به رهبری فیزیکدانان MIT، قبلاً شواهد روشنی یافته اند که نشان می دهد کوارک ها هنگام حرکت در این پلاسما امواج تولید می کنند، دقیقاً مانند اردک که هنگام حرکت در آب امواج ایجاد می کند. مشاهدات اولین شواهد مستقیمی را ارائه می دهند که نشان می دهد پلاسمای کوارک گلوئون به ذرات با حرکت سریع به عنوان یک سیال منفرد واکنش نشان می دهد و امواج، پاشش و حرکت چرخشی تولید می کند، نه اینکه صرفاً به عنوان مجموعه ای از ذرات پراکنده مستقل رفتار کند.

ین-جی لی، استاد فیزیک در MIT می گوید: «این بحث طولانی در زمینه ما بوده است که آیا پلاسما باید به کوارک واکنش نشان دهد یا خیر. “اکنون می بینیم که پلاسما به طرز باورنکردنی متراکم است، بنابراین می تواند یک کوارک را کاهش دهد و مانند یک مایع پاشش و گرداب تولید کند. بنابراین پلاسمای کوارک-گلئون واقعاً یک سوپ اولیه است.”

لی و همکارانش روش جدیدی برای تشخیص این کوارک‌ها ایجاد کردند. آنها قصد دارند از این تکنیک بر روی داده‌های برخورد ذرات اضافی برای جستجوی نمونه‌های بیشتر و مطالعه دقیق‌تر آنها استفاده کنند.

دانشمندان با اندازه گیری میزان بزرگی امواج، سرعت حرکت آنها، میزان امتداد آنها و مدت زمانی که طول می کشد تا از بین بروند، ممکن است بتوانند ویژگی های مهم پلاسمای کوارک-گلئون را تعیین کنند. این اندازه‌گیری‌ها همچنین می‌توانند سرنخ‌هایی درباره نحوه رفتار پلاسما در اولین میکروثانیه‌های پس از شروع جهان ارائه دهند.

لی می‌گوید: «مطالعه چگونگی پرش کوارک‌ها به جلو و عقب به ما بینش جدیدی در مورد ویژگی‌های پلاسمای کوارک-گلوئون می‌دهد. “با این آزمایش، ما یک عکس فوری از این سوپ کوارک اولیه می گیریم.”

نویسندگان همکار این مطالعه اعضای CMS Collaboration هستند، یک گروه جهانی از فیزیکدانان ذرات که آزمایش‌هایی را با استفاده از الکترومغناطیسی فشرده میون (CMS)، یکی از آشکارسازهای ذرات همه منظوره در برخورد دهنده بزرگ هادرون سرن انجام و تجزیه و تحلیل می‌کنند. محققان در این مطالعه از آزمایش CMS برای شناسایی نشانه‌های یک کوارک استفاده کردند. یافته های دسترسی باز در نمایش داده می شوند حروف فیزیک B.

اولین مایع در کیهان

اعتقاد بر این است که پلاسمای کوارک گلوئون اولین مایع در جهان است. این مایع همچنین داغ ترین مایعی بود که تاکنون شناخته شده بود و در طول عمر کوتاه خود به دمای چند تریلیون درجه سانتیگراد رسید.

دانشمندان همچنین QGP را به عنوان یک مایع تقریبا “کامل” توصیف کردند. در این حالت غیرعادی، کوارک‌ها و گلوئون‌های منفرد به نظر می‌رسند که مانند یک سیال بسیار صاف و تقریباً بدون اصطکاک با هم حرکت می‌کنند.

این درک از آزمایش‌ها و مطالعات نظری متعدد ناشی می‌شود. یک مدل تأثیرگذار توسط کریشنا راجاگوپال، استاد فیزیک ویلیام ا. ام. باردن در MIT، و همکارانش ایجاد شد. این مدل که به عنوان مدل ترکیبی شناخته می‌شود، پیش‌بینی می‌کند که یک پلاسمای کوارک-گلئون باید مانند یک مایع وقتی ذرات پر انرژی از آن عبور می‌کنند واکنش نشان دهد.

طبق این مدل، یک جریان سریع از کوارک‌ها باید پلاسمای اطراف را مختل کرده و پس از آن، موجی از خود به جای بگذارد و باعث موج‌ها و پاشش مواد شود.

فیزیکدانان سال ها به دنبال شواهدی از این امواج در برخورد دهنده بزرگ هادرون و دیگر شتاب دهنده های ذرات پرانرژی بوده اند. در این آزمایش‌ها، یون‌های سنگینی مانند سرب تقریباً به سرعت نور شتاب می‌گیرند و با هم خرد می‌شوند. این برخوردها به طور خلاصه باعث ایجاد قطرات ریز ماده اولیه می شود که معمولاً کمتر از یک چهار میلیاردم ثانیه زنده می مانند.

محققان باید به طور موثر تصویری از این لحظه زودگذر را ثبت کنند و از مدل‌های ذره‌ای به‌دست‌آمده برای بازسازی ویژگی‌های پلاسمای کوارک گلوئون استفاده کنند.

چرا بیداری کوارک به سختی قابل مشاهده بود

جستجوهای قبلی برای بیداری کوارک ها اغلب بر روی جفت هایی متشکل از یک کوارک و یک “آنتی کوارک” متمرکز بود. آنتی کوارک ها همتای کوارک هایی هستند که خواص معین آنها دارای قدر یکسان اما علائم متضاد هستند.

هنگامی که یک کوارک به سرعت در پلاسما حرکت می کند، یک آنتی کوارک می تواند تولید شود که با همان سرعت در جهت مخالف حرکت می کند. بنابراین دانشمندان به دنبال جفت‌های کوارک-آنتی کوارک بوده‌اند و انتظار دارند هر دو ذره در پلاسمای اطراف خود امواج قابل تشخیصی تولید کنند.

این رویکرد مشکل بزرگی ایجاد کرد.

لی می گوید: «وقتی دو کوارک تولید شده دارید، مشکل این است که وقتی دو کوارک در جهت مخالف حرکت می کنند، یک کوارک مسیر کوارک دوم را تحت الشعاع قرار می دهد.

لی و همکارانش متوجه شدند که اگر کوارک دومی وجود نداشته باشد که اغتشاش همپوشانی ایجاد کند، شناسایی پس از یک کوارک منفرد بسیار آسان تر خواهد بود.

لی می‌گوید: «ما تکنیک جدیدی ارائه کردیم که به ما امکان می‌دهد اثرات یک کوارک را در QGP از طریق یک جفت ذره متفاوت ببینیم.

استفاده از بوزون های Z به عنوان یک برچسب بیداری

محققان به جای جست و جوی جفت کوارک-آنتی کوارک پس از برخورد یون های سرب، به دنبال رویدادهایی هستند که در آن یک کوارک در پلاسما تقریباً در جهت مخالف “بوزون Z” حرکت می کند.

بوزون Z یک ذره بنیادی خنثی است که با نیروی ضعیف مرتبط است. تعامل بسیار کمی با پلاسمای اطراف دارد و به عنوان یک نقطه شروع تمیز مفید است. بوزون‌های Z نیز با انرژی متمایزی ظاهر می‌شوند که شناسایی آنها را برای فیزیکدانان نسبتاً آسان می‌کند.

لی توضیح می‌دهد: «در این سوپ پلاسمای کوارک-گلوئون، کوارک‌ها و گلوئون‌های زیادی وجود دارند که در حال عبور و برخورد با یکدیگر هستند. “گاهی اوقات، زمانی که ما خوش شانس هستیم، یکی از این برخوردها یک بوزون Z و یک کوارک با تکانه بالا ایجاد می کند.”

هنگامی که چنین برخوردی رخ می دهد، کوارک و بوزون Z باید در جهت مخالف از یکدیگر دور شوند. کوارک می‌تواند پلاسما را مختل کند و باعث ایجاد بیداری شود، در حالی که بوزون Z باید بدون تأثیر قابل توجهی بر مواد اطراف خود عبور کند.

این بدان معنی است که تمام امواج ظاهر شده در پلاسمای سمت کوارک را می توان به خود کوارک نسبت داد.

با همکاری گروه پروفسور یی چن در دانشگاه واندربیلت، محققان دریافتند که می توانند از بوزون های Z به عنوان یک “نشانگر” برای مکان یابی و اندازه گیری بیداری های ایجاد شده توسط کوارک های منفرد استفاده کنند.

Wakes در میان میلیاردها برخورد پیدا شد

این تیم داده‌های حاصل از برخورد یون‌های سنگین را در برخورددهنده بزرگ هادرونی تجزیه و تحلیل کردند. از میان 13 میلیارد برخورد، آنها تقریباً 2000 رویداد را شناسایی کردند که در آنها یک بوزون Z تولید می شود.

برای هر یک از این رویدادها، محققان نحوه توزیع انرژی در پلاسمای کوارک-گلئون کوتاه مدت را ترسیم کردند. آنها مکرراً الگوهای مایع مانند پاشش و حرکت چرخشی در جهت مخالف بوزون Z پیدا کردند.

از آنجایی که خود بوزون Z به سختی با پلاسما برهمکنش می‌کند، محققان می‌توانند این الگوهای بیداری را مستقیماً به کوارک‌های منفرد که در این ماده حرکت می‌کنند نسبت دهند.

پیک های مشاهده شده نیز با پیش بینی های مدل ترکیبی راجاگوپال مطابقت دارد. نتایج نشان می‌دهد که پلاسمای کوارک-گلئون در واقع وقتی ذرات پرانرژی از آن عبور می‌کنند، به طور جمعی مانند یک مایع واکنش نشان می‌دهد.

راجاگوپال که مستقیماً در مطالعه جدید شرکت نداشت، گفت: «این چیزی است که بسیاری از ما سال‌ها استدلال کرده‌ایم که باید وجود داشته باشد و آزمایش‌های زیادی به دنبال آن بوده‌اند».

لی می افزاید: «ما اولین شواهد مستقیم را دریافت کردیم که نشان می دهد کوارک در حین حرکت، پلاسمای بیشتری را با خود می کشد. “این به ما امکان می دهد تا خواص و رفتار این مایع عجیب و غریب را با جزئیات بی سابقه ای مطالعه کنیم.”

این کار تا حدی توسط وزارت انرژی ایالات متحده حمایت شد.