هر چهار آزمایش اصلی برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC)، شواهد جدیدی یافته‌اند که نشان می‌دهد برخوردهای بین اکسیژن و نئون ممکن است شرایط فوق‌العاده حاد ماده را که در اولین میکروثانیه‌های پس از بیگ‌بنگ وجود داشته است، بازسازی کند.
در داخل برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC)، برخوردهای بین هسته‌های نسبتاً سبک اکسیژن و نئون ممکن است در حال تولید ماده‌ای از اولین لحظات پیدایش جهان باشد. یک سال پس از اولین آزمایش‌های برخورد اکسیژن در این برخورددهنده، هر چهار آزمایش اصلی LHC شامل ALICE، ATLAS، CMS و LHCb نشانه‌هایی از «پلاسمای کوارک–گلوئون» (QGP) را گزارش کرده‌اند.
پلاسمای کوارک–گلوئون تحت فشار بسیار زیاد و در دماهایی بیش از ۱۰۰,۰۰۰ برابر داغ‌تر از مرکز خورشید تشکیل می‌شود. در این شرایط، ذرات مرکب از هم فرو می‌پاشند و به کوارک‌ها و گلوئون‌هایی تبدیل می‌شوند که در حالت عادی آن‌ها را کنار هم نگه می‌دارند. تصور می‌شود که این حالت از ماده، در اولین میلیونیم‌های ثانیه پس از بیگ‌بنگ، جهان را پر کرده بود. اکنون پس از نزدیک به ۱۴ میلیارد سال، فیزیک‌دانان می‌توانند با استفاده از برخوردهای هسته‌ای با انرژی بالا در LHC، آن را برای لحظاتی کوتاه دوباره بازسازی کنند.
یون‌های سبک یک فرض قدیمی را برهم می‌زنند
فیزیک‌دانان زمانی بر این باور بودند که QGP تنها زمانی می‌تواند تشکیل شود که یون‌های بسیار سنگین مانند سرب با یکدیگر برخورد کنند. یک یون سرب بیش از ۲۰۰ برابر سنگین‌تر از پروتون‌هایی است که به‌طور معمول در LHC استفاده می‌شوند و این امر برخوردهای سرب را به روشی واضح برای تولید حرارت و فشار لازم تبدیل می‌کرد.
اما شواهد اخیر، این فرض را به مرور تضعیف کرده است. اوایل امسال، همکاری علمی ALICE که در زمینه بررسی QGP تخصص دارد، نشانه دیگری از این پلاسما را در برخوردهای پروتون–پروتون و پروتون–سرب گزارش کرد. سال گذشته نیز چهار آزمایش LHC اولین نشانه‌ها از احتمال ایجاد این پلاسما در برخوردهای اکسیژن–اکسیژن را کشف کردند.
اکنون آزمایش‌ها پس از بررسی دقیق‌تر داده‌ها، سیگنال‌های متعددی منطبق با تشکیل QGP در هر دو نوع برخورد اکسیژن–اکسیژن و نئون–نئون شناسایی کرده‌اند.
افت انرژی، وجود یک محیط متراکم را فاش می‌کند
یک سرنخ مهم از اتفاقی به دست می‌آید که برای کوارک‌ها و گلوئون‌های پرسرعت هنگام عبور از میان این پلاسمای داغ و متراکم می‌افتد. آن‌ها در طول این مسیر انرژی از دست می‌دهند؛ پدیده‌ای که به عنوان «افت انرژی پارتون» شناخته می‌شود.
همکاری علمی ATLAS این پدیده را از طریق ایجاد عدم تعادل بین جفت جت‌های ذره‌ای تولیدشده در برخوردهای اکسیژن–اکسیژن و نئون–نئون کشف کرد. این عدم تعادل در برخوردهای روبروتر (مرکزی) قوی‌تر شد؛ جایی که انتظار می‌رود حجم بزرگ‌تر QGP انرژی بیشتری از ذرات عبوری جذب کند.
اندازه‌گیری‌های اولیه ATLAS روی ذرات باردار متلاشی‌شده از فوتون‌ها نیز همین رابطه را با میزان مرکزی بودن برخورد نشان داد. این الگو نیز با افت انرژی ذرات هنگام عبور از پلاسما همخوانی دارد.
سرکوب ذرات، فرضیه را تقویت می‌کند
تیم‌های ALICE، CMS و LHCb با اندازه‌گیری این موضوع که آیا برخوردها ذرات پرانرژی کمتری نسبت به حد انتظار تولید کرده‌اند یا خیر، افت انرژی پارتون را به روش دیگری بررسی کردند.
تیم CMS کاهش تولید ذرات باردار را در برخوردهای اکسیژن–اکسیژن و نئون–نئون در مقایسه با برخوردهای پروتون–پروتون مشاهده کرد. این کاهش به افت انرژی پارتون اشاره دارد و وجود QGP را در برخوردهای شامل یون‌های سبک تأیید می‌کند.
در مطالعه‌ای دیگر، تیم LHCb ذرات ساخته‌شده از یک کوارک افسون (Charm) و یک کوارک سبک را بررسی کرد. این ذرات در برخوردهای نئون–نئون به میزان قوی‌تری نسبت به برخوردهای اکسیژن–اکسیژن سرکوب شدند. این تفاوت با انتظارات مربوط به افت انرژی پارتون مطابقت دارد، زیرا سیستم سنگین‌تر نئون باید حجم بزرگ‌تری از QGP ایجاد کند.
از آنجایی‌که فرآیندهای دیگری نیز می‌توانند باعث کاهش تولید ذرات شوند، تیم ALICE مقایسه مجزایی انجام داد تا این اثر را جداسازی کند. این گروه پیون‌های خنثی را در برخوردهای اکسیژن–اکسیژن و پروتون–اکسیژن اندازه‌گیری کرد و شواهد کاملاً واضحی از افت انرژی پارتون در داده‌های اکسیژن–اکسیژن یافت.
سیگنال‌های مستقل به وجود QGP اشاره دارند
پژوهشگران همچنین به دنبال تغییراتی در ذرات کم‌عمر ساخته‌شده از یک کوارک سنگین و پادکوارک آن بودند. این جفت‌ها می‌توانند با پیوندهای متفاوت به هم متصل شوند و QGP باید حالت‌هایی را که پیوند ضعیف‌تری دارند، آسان‌تر از حالت‌های قوی‌تر سرکوب کند.
تیم CMS با مقایسه برخوردهای اکسیژن–اکسیژن و نئون–نئون، شواهدی از این الگو را در میان مزون‌های آپسیلون (ذرات حاوی یک کوارک ته یا Bottom و پادکوارک آن) پیدا کرد. همچنین تیم LHCb شواهد اولیه‌ای از همین نوع سرکوب را با استفاده از داده‌های پروتون–اکسیژن و اکسیژن–اکسیژن گزارش داد.
تیم ALICE نیز یافته‌های اولیه‌ای درباره جهاتی که ذرات از برخوردهای اکسیژن–اکسیژن خارج می‌شوند منتشر کرده است. ذرات ساخته‌شده از سه کوارک (باریون‌ها) گسیل جهتی قوی‌تری نسبت به ذرات ساخته‌شده از دو کوارک (مزون‌ها) نشان دادند؛ الگویی که «شار ناهمسانگرد» (Anisotropic flow) نامیده می‌شود.
توضیح اصلی این است که QGP حرکت دسته‌جمعی خود را به ذرات ایجادشده در برخورد در تکانه‌های متوسط منتقل می‌کند. از آنجا که باریون‌ها یک کوارک بیشتر از مزون‌ها دارند، می‌توانند سهم بیشتری از این شار را به ارث ببرند.
پژوهشگران همچنان به جستجو در داده‌های برخورد یون‌های سبک برای یافتن شواهد بیشتری از QGP ادامه می‌دهند. هم‌زمان، LHC در حال ارتقا به برخورددهنده قدرتمندتر “High-Luminosity LHC” است که به فیزیک‌دانان اجازه می‌دهد این حالت فوق‌العاده حاد ماده را با جزئیات بسیار بیشتری بررسی کنند.
منبع: Scitechdaily
