برخورددهنده بزرگ هادرونی نشان میدهد که «سوپ اولیه» جهان اولیه بهطور شگفتانگیزی سوپدار بوده است.

دانشمندان با استفاده از قویترین شتابدهنده ذرات جهان، برخورددهنده بزرگ هادرون سرن، دریافتهاند که «سوپ» داغ، تریلیون درجهای که کیهان را تنها در میلیونم ثانیه پس از انفجار بزرگ پر کرده بود، در واقع مانند یک مایع رفتار میکرد و آن را به یک سوپ واقعی تبدیل میکرد.
این سوپ اولیه از پلاسمای ذراتی به نام کوارک ها و گلوئون ها تشکیل شده است که به سرعت سرد می شوند و باعث می شوند این دو نوع ذره با هم ترکیب شوند و ذرات بنیادی مانند پروتون و نوترون را ایجاد کنند که امروزه در قلب همه اتم های سازنده ماده در اطراف ما قرار دارند. امروزه، کوارکها و گلوئونها فقط در ذرات موجود در آنها قفل شدهاند، به استثنای یک استثنا. با در هم کوبیدن اتم های سنگین سرب که با سرعتی نزدیک به نور حرکت می کنند برخورد دهنده بزرگ هادرونی (LHC)، دانشمندان می توانند محیطی پرانرژی ایجاد کنند که برای مدت کوتاهی گلوئون ها و کوارک ها را از این بردگی اتمی آزاد می کند و پلاسمای کوارک-گلئون را بازسازی می کند. کیهان اولیه.
ین جی لی، پروفسور فیزیک در MIT، یکی از اعضای تیم، “این یک بحث طولانی در زمینه ما بوده است که آیا پلاسما باید به کوارک واکنش نشان دهد یا خیر.” در بیانیه ای گفت. اکنون میبینیم که پلاسما بهطور باورنکردنی متراکم است، بنابراین میتواند سرعت 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 برای مشاهده پیهای ایجاد شده در پلاسمای کوارک گلوئون توسط ذرات متحرک، از آشکارساز الکترومغناطیسی میون فشرده (CMS) LHC استفاده کردند تا تکنیکی را توسعه دهند که به آنها امکان اندازهگیری اندازه، سرعت و وسعت این امواج و همچنین مدت زمانی که طول میکشد تا فروپاشی و پراکنده شوند را میدهد. این اطلاعات می تواند برای درک بهتر خواص پلاسمای کوارک-گلئون و رفتار آن در اولین میکروثانیه های فضا بسیار مهم باشد.
لی میگوید: «مطالعه چگونگی پرش کوارکها به عقب و جلو 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.”
ممکن است بخواهید این سوپ را برای مدتی دم کنید
پلاسمای کوارک گلوئون نه تنها اولین مایعی بود که در کیهان وجود داشت، بلکه در دمای تریلیونها درجه، داغترین مایعی است که تاکنون وجود داشته است. تصور می شود که سوپ اولیه یک سیال تقریباً کامل بوده است، به این معنی که محتویات کوارک و گلوئون به صورت سیال صاف و بدون اصطکاک در کنار هم جریان داشته اند.
اگرچه مدلهای زیادی از پلاسمای کوارک گلوئون وجود دارد، یک نظریه به نام «مدل هیبریدی» نشان میدهد که این سوپ اولیه باید مانند هر مایع دیگری واکنش نشان دهد وقتی ذرات با سرعت از آن عبور میکنند. در مدل ترکیبی، جریانی از کوارکها که از میان پلاسمای کوارک-گلوئون حرکت میکنند، باید موجی ایجاد کنند، زیرا باعث موجدار شدن و پاشش این اقیانوس پلاسما میشود.
آزمایشهای زیادی در LHC و دیگر شتابدهندههای ذرات وجود دارد که سعی کردهاند این اثر را در عمل ببینند. این آزمایشها تنها با ضربه زدن به اتمهای باردار سنگین یا یونهای سنگین با سرعتهای نزدیک به سرعت نور امکانپذیر میشوند، که میتواند قطرهای از سوپ اولیه را تولید کند که بیش از یک چهار میلیاردم ثانیه عمر نمیکند. دانشمندان همچنان به تلاش برای گرفتن عکس های فوری از این سوپ اولیه برای درک ویژگی های پلاسمای کوارک-گلوئون ادامه می دهند.
در تلاش برای شناسایی پی در پلاسمای کوارک-گلوئون، دانشمندان به دنبال جفت کوارک و همتایان ضد ماده آنها، معروف به آنتی کوارک، می گردند. هنگامی که یک کوارک در پلاسما حرکت می کند، باید یک آنتی کوارک دقیقاً با همان سرعت اما در جهت مخالف حرکت کند. هر دو ذره، طبق مدل ترکیبی، باید واکنش های قابل توجهی ایجاد کنند. ساده به نظر می رسد، اما یک مگس در این سوپ وجود دارد.
لی توضیح داد: “وقتی دو کوارک تولید شده دارید، مشکل این است که وقتی دو کوارک در جهت مخالف یکدیگر حرکت می کنند، یک کوارک مسیر کوارک دوم را تحت الشعاع قرار می دهد.” این تیم دریافتند که یافتن ردی از کوارک آسان تر خواهد بود اگر کوارک دومی وجود نداشته باشد که آن را مبهم کند.
لی افزود: «ما تکنیک جدیدی ارائه کردیم که به ما امکان میدهد اثرات یک کوارک را در پلاسمای کوارک-گلئون از طریق یک جفت ذره متفاوت ببینیم.
کروتون بوزون
لی و همکارانش به جای جفت کوارکها، به دنبال کوارکهایی بودند که به صورت هماهنگ با یک ذره بنیادی خنثی به نام بوزون Z حرکت میکردند که تأثیر کمی بر محیط اطراف خود دارد. مزیت بوزون های Z این است که انرژی خاصی دارند و این باعث می شود که تشخیص آنها نسبتا آسان باشد.
لی گفت: «در این سوپ پلاسمای کوارک-گلئون، کوارکها و گلوئونهای متعددی 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.”
در این شرایط، کوارک و بوزون Z باید با یکدیگر برخورد کنند و در جهات متضاد جهش کنند، با کوارک دنبالهای باقی میگذارد، اما بوزون Z به دلیل عدم تاثیر بر پلاسمای کوارک-گلئون اطراف هیچ ردی از خود باقی نمیگذارد. این بدان معنی است که هر موجی که در این موقعیت دیده می شود به تنهایی از کوارک ساخته شده است.
پس از مشاهده 13 میلیارد برخورد LHC، لی و تیم تیم حدود 2000 مورد را شناسایی کردند که در آن یک بوزون Z تولید می شود. در طول این رویدادها، دانشمندان به طور مداوم الگوی مایع مانندی از پاشش ها را مشاهده کردند که در جهت مخالف بوزون های Z که آنها شناسایی کردند حرکت می کردند. آنها دریافتند که این اثر بیداری کوارکی است. در واقع، الگوهای مشاهدهشده با پیشبینیهای ضربان ساخته شده توسط مدل پلاسمای کوارک-گلئون ترکیبی مطابقت دارند.
لی نتیجه گرفت: «ما اولین شواهد مستقیم را به دست آوردهایم که نشان میدهد کوارک در حین حرکت، پلاسمای بیشتری را با خود میکشد. “این به ما امکان می دهد تا خواص و رفتار این مایع عجیب و غریب را با جزئیات بی سابقه ای مطالعه کنیم.”
تحقیقات این تیم منتشر شد در مجله Physics Letters B.




