دانشمندان با بازسازی سوپ اولیه بیگ‌بنگ، به کشفی غیرمنتظره دست یافتند

پژوهشگران با استفاده از یک برخورددهنده ذرات، هسته‌های طلا را تقریباً با سرعت نور به یکدیگر کوبیدند و الگوی غیرمنتظره‌ای را در ذرات حاصل از این برخوردها مشاهده کردند.

اگر این الگو در بررسی‌های بعدی تأیید شود، می‌تواند سرنخ مهمی درباره چگونگی سرد شدن و متراکم شدن سوپ داغ کوارک‌ها و گلوئون‌ها در چند میکروثانیه نخست پس از بیگ‌بنگ ارائه دهد؛ فرایندی که در نهایت به شکل‌گیری پروتون‌ها و نوترون‌های سازنده ماده معمولی امروزی انجامید.

در هر برخورد، ذرات به طرفین پرتاب می‌شوند و میانگین شدت این پرتاب از یک برخورد به برخورد دیگر اندکی تغییر دارد. فیزیک‌دانان انتظار داشتند اندازه این تغییرات با افزایش یا کاهش انرژی برخورد، روندی تدریجی و یکنواخت داشته باشد. اما داده‌ها رفتار متفاوتی نشان دادند: میزان تغییرات ابتدا کاهش یافت، سپس دوباره افزایش پیدا کرد. این افت می‌تواند نشانه‌ای از وجود نقطه بحرانی باشد؛ مجموعه‌ای ویژه از شرایط که در آن ماده هسته‌ای شیوه تبدیل خود از یک حالت به حالت دیگر را تغییر می‌دهد.

این سیگنال در آزمایش STAR واقع در برخورددهنده نسبیتی یون‌های سنگین یا RHIC در آزمایشگاه ملی بروکهیون در نیویورک ثبت شد. شدت آماری آن به اندازه‌ای بالاست که احتمال یک اتفاق تصادفی بسیار اندک به نظر می‌رسد. با این حال، پژوهشگران تأکید دارند که این افت هنوز تنها یک نشانه امیدوارکننده است و نمی‌توان آن را اثبات وجود نقطه بحرانی دانست. نتایج این مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شد.

قوانین ماده در شرایط افراطی

پروتون‌ها و نوترون‌ها از ذرات کوچک‌تری به نام کوارک تشکیل شده‌اند. نیرویی موسوم به نیروی قوی، که گلوئون‌ها حامل آن هستند، کوارک‌ها را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد. هنگامی که پروتون‌ها و نوترون‌ها به اندازه کافی گرم یا فشرده شوند، ساختار معمول خود را از دست می‌دهند و به مخلوطی بسیار داغ از کوارک‌ها و گلوئون‌های آزاد تبدیل می‌شوند که پلاسمای کوارک ـ گلوئون نام دارد. دانشمندان بر این باورند که چنین سوپ اولیه‌ای در چند میلی‌ثانیه نخست پس از بیگ‌بنگ سراسر جهان را پر کرده بود.

فیزیک‌دانان برای فهم دقیق چگونگی شکل‌گیری این وضعیت، معادله حالت ماده هسته‌ای را بررسی می‌کنند. روتیک مانیکاندهن، پژوهشگر پسادکتری فیزیک در دانشگاه ایالتی اوهایو، توضیح داد

برای آب، این معادله ارتباط میان فشار، دما و چگالی را مشخص می‌کند و نشان می‌دهد آب چه زمانی یخ می‌زند، می‌جوشد یا منبسط می‌شود. درباره ماده هسته‌ای، این معادله در واقع کتاب قوانین پایه برای شناخت ماده در شدیدترین شرایط طبیعت، مانند هسته ستاره‌های نوترونی، به شمار می‌رود.

نقطه بحرانی یکی از مهم‌ترین بخش‌های این چارچوب نظری محسوب می‌شود. مانیکاندهن درباره آن گفت

در مورد آب، نقطه بحرانی جایی است که مرز میان مایع و بخار از بین می‌رود.

به گفته او، نظریه‌پردازان مدت‌هاست احتمال وجود نقطه‌ای مشابه را در ماده هسته‌ای مطرح کرده‌اند. در دماهای بسیار بالا، ماده به‌صورت تدریجی و نرم به پلاسمای کوارک ـ گلوئون تبدیل می‌شود، اما با افزایش چگالی ممکن است این تغییر ناگهان و به شکلی شدید رخ دهد.

نقطه بحرانی در واقع مرزی خواهد بود که در آن نوع گذار ماده از یک شکل به شکل دیگر تغییر می‌کند. برخی محاسبات جدید نشان می‌دهند برخوردهای کم‌انرژی RHIC ممکن است بتوانند به چنین نقطه‌ای دسترسی پیدا کنند. مانیکاندهن در این باره تأکید کرد

همه این موارد هنوز در حد فرضیه هستند و تاکنون نه از سوی آزمایشگران و نه از طرف نظریه‌پردازان، مدرک قطعی در اختیار نداریم.

این پژوهش از دیدگاه کیهان‌شناسی نیز اهمیت دارد. ماده‌ای که در این برخوردها تولید می‌شود شباهت زیادی به ماده‌ای دارد که چند میکروثانیه پس از بیگ‌بنگ سراسر جهان را پر کرده بود. مانیکاندهن گفت

چون ماده‌ای که در این برخوردها ایجاد می‌کنیم شبیه ماده‌ای است که چند میکروثانیه پس از بیگ‌بنگ در جهان وجود داشت، بررسی رفتار آن به ما کمک می‌کند بفهمیم جهان چگونه از یک سوپ داغ کوارک و گلوئون به پروتون‌ها و نوترون‌هایی تبدیل شد که امروزه همه چیز را تشکیل می‌دهند.

در مرکز این تحقیقات، آشکارساز سه‌طبقه STAR در برخورددهنده نسبیتی یون‌های سنگین قرار دارد. دانشمندان با استفاده از این آشکارساز شرایط حاکم بر جهان اولیه، در فاصله‌ای بسیار کوتاه پس از بیگ‌بنگ، را بررسی کردند.

افتی غیرمنتظره در روندی که باید یکنواخت می‌بود

پژوهشگران برای بررسی این محدوده ناشناخته، RHIC را در مجموعه‌ای از انرژی‌های مختلف به کار گرفتند. هرچه انرژی برخورد پایین‌تر باشد، ماده حاصل از برخورد فشرده‌تر خواهد بود. در کم‌انرژی‌ترین آزمایش‌ها، گروه STAR از روش هدف ثابت استفاده کرد؛ در این روش، پرتو هسته‌های طلا به ورقه‌ای نازک از طلا که داخل آشکارساز قرار دارد برخورد می‌کند و خبری از یک پرتو دوم در جهت مخالف نیست. این روش متراکم‌ترین ماده‌ای را ایجاد می‌کند که RHIC قادر به تولید آن است.

انرژی برخوردها با الکترون‌ولت اندازه‌گیری می‌شود؛ واحدی که انرژی دریافت‌شده توسط یک الکترون هنگام عبور از اختلاف پتانسیل یک ولت را بیان می‌کند. از آنجا که این مقدار بسیار کوچک است، فیزیک‌دانان ذرات معمولاً از میلیارد الکترون‌ولت یا گیگاالکترون‌ولت استفاده می‌کنند. یک گیگاالکترون‌ولت تقریباً معادل انرژی نهفته در جرم یک پروتون است و با رابطه مشهور اینشتین، یعنی E=mc²، ارتباط دارد. گروه پژوهشی حدود یک میلیارد برخورد را در بازه انرژی ۳ تا ۷٫۷ گیگاالکترون‌ولت برای هر جفت پروتون یا نوترون برخوردکننده بررسی کرد. این بازه در پایین‌ترین محدوده عملکرد RHIC قرار دارد؛ دستگاهی که توانایی رسیدن به انرژی ۲۰۰ گیگاالکترون‌ولت را دارد.

در هر برخورد، پژوهشگران اندازه تکانه عرضی ذرات باردار را اندازه گرفتند؛ یعنی بررسی کردند ذرات با چه شدتی در جهت عمود بر مسیر اصلی برخورد از گلوله آتشین خارج می‌شوند. سپس همبستگی میان ذرات را مورد مطالعه قرار دادند. همبستگی نشان می‌دهد آیا دو کمیت معمولاً همزمان تغییر می‌کنند یا خیر. در اینجا محققان بررسی کردند که آیا دو ذره حاصل از یک برخورد، هر دو شدیدتر از میانگین یا هر دو ضعیف‌تر از میانگین پرتاب شده‌اند. چنین رابطه‌ای اطلاعاتی درباره وضعیت کلی گلوله آتشین فراهم می‌کند. اگر این گلوله آتشین کمی داغ‌تر باشد یا با شدت بیشتری منبسط شود، همه ذرات آن تقریباً همزمان ضربه جانبی بیشتری دریافت خواهند کرد.

مانیکاندهن توضیح داد

این همبستگی‌ها نشان می‌دهند دما و جریان گلوله آتشین تا چه اندازه دچار نوسان می‌شوند.

در نزدیکی نقطه بحرانی انتظار می‌رود ظرفیت گرمایی ماده، یعنی مقدار انرژی لازم برای افزایش دمای آن، به‌شدت بالا برود. در چنین وضعیتی تغییر دمای گلوله آتشین دشوارتر خواهد شد و در نتیجه همبستگی میان ذرات باید کاهش پیدا کند. مانیکاندهن گفت

اگر ماده به نقطه بحرانی یا یک تغییر فاز نزدیک شود، انتظار داریم هنگام تغییر انرژی برخورد، این همبستگی‌ها به شکلی غیرعادی و غیرنرم تغییر کنند.

دقیقاً همین رفتار در برخوردهای کاملاً مستقیم مشاهده شد. مانیکاندهن گفت

به جای آنکه همبستگی‌ها با انرژی به‌صورت یکنواخت تغییر کنند، شاهد یک افت در آنها بودیم.

پژوهشگران داده‌های جدید را با روندی یکنواخت مقایسه کردند که بر اساس اندازه‌گیری‌های قبلی STAR در انرژی‌های بالاتر تعیین شده بود. این افت با اهمیت آماری ۵ سیگما از روند مورد انتظار فاصله داشت؛ سطحی که فیزیک‌دانان معمولاً برای واقعی تلقی کردن یک سیگنال به آن استناد می‌کنند. اگر روند واقعی کاملاً یکنواخت می‌بود، احتمال آنکه نوسانات تصادفی چنین افت محسوسی ایجاد کنند، تقریباً یک بار در هر ۳٫۵ میلیون آزمایش تخمین زده می‌شود.

مانیکاندهن افزود

از ماده هسته‌ای معمولی انتظار داریم روندی نرم و یکنواخت داشته باشیم، بنابراین وجود یک افت نشان می‌دهد احتمالاً در آن شرایط اتفاق جالب‌تری در حال رخ دادن است.

در مقابل، یک شبیه‌سازی رایانه‌ای پرکاربرد که هیچ نقطه بحرانی را در مدل خود ندارد، روند کلی داده‌ها را بازتولید کرد اما نتوانست افت مشاهده‌شده را ایجاد کند. برخوردهای خارج از مرکز نیز نشانه‌ای بسیار ضعیف از همین ویژگی نشان دادند، اما این اثر به‌تنهایی برای ارائه شواهد کافی نیست.

مانیکاندهن درباره اهمیت این یافته گفت

این نتیجه نشانه‌ای امیدوارکننده است، اما اثبات وجود نقطه بحرانی به شمار نمی‌رود.

پژوهشگران خاطرنشان کردند عوامل دیگری که ارتباطی با نقطه بحرانی ندارند نیز می‌توانند بر این نوسانات اثر بگذارند و هنوز مشخص نیست این عوامل چه مقدار از افت مشاهده‌شده را توضیح می‌دهند.

با وجود این محدودیت، مانیکاندهن معتقد است این یافته ارزش قابل توجهی دارد

این افت به مجموعه‌ای از شرایط اشاره دارد که در آن رفتار ماده هسته‌ای تغییر می‌کند و یک اندازه‌گیری دقیق و جدید در اختیار نظریه‌پردازان قرار می‌دهد تا محاسبات خود را با آن آزمایش کنند.

گام بعدی پژوهشگران استفاده از همین همبستگی‌ها برای استخراج گرمای ویژه ماده داغ خواهد بود. مانیکاندهن گفت

ما قصد داریم از این همبستگی‌ها گرمای ویژه ماده داغ را استخراج کنیم.

پس از آن، نتایج با شبیه‌سازی‌های ابررایانه‌ای مقایسه خواهد شد؛ مدل‌هایی که رفتار کوارک‌ها و گلوئون‌ها را از اصول بنیادی محاسبه می‌کنند.

گروه پژوهشی همچنین قصد دارد افت مشاهده‌شده را با مدل‌های نظری بیشتری مقایسه کند و آن را در کنار اندازه‌گیری‌های دیگر، از جمله نوسانات تعداد پروتون‌های تولیدشده در برخوردها، بررسی کند. مانیکاندهن در پایان گفت

تنها زمانی که اندازه‌گیری‌های مختلف با یکدیگر همخوانی داشته باشند، می‌توانیم با اطمینان بگوییم که نقطه بحرانی واقعاً وجود دارد.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.