دانشمندان اولین لحظات جهان را بازسازی می کنند و چیزی را پیدا می کنند که انتظارش را نداشتند

فیزیکدانان هسته های طلا را با سرعتی تقریبا به سرعت نور در هم شکستند و الگویی غیرمنتظره در ذرات این برخوردها پیدا کردند. اگر این الگو تأیید شود، می‌تواند کمک کند که چگونه سوپ داغ کوارک‌ها و گلوئون‌ها که جهان را در چند میکروثانیه اول پس از انفجار بزرگ پر کرده‌اند، سرد شده و به پروتون‌ها و نوترون‌هایی که ماده معمولی امروزی را می‌سازند، متراکم شده است.

در هر برخورد، ذرات به سمت بیرون پرتاب می شوند. میزان سختی پرتاب آنها، به طور متوسط، از یک برخورد به برخورد دیگر کمی متفاوت است. فیزیکدانان انتظار داشتند که اندازه این تغییرات با تنظیم انرژی برخورد به آرامی تغییر کند. در عوض، تغییرات کاهش یافته، کوچک شده و سپس دوباره رشد می کنند. این شیب می‌تواند نشانه‌ای از یک «نقطه بحرانی» باشد، مجموعه‌ای از شرایط خاص که در آن ماده هسته‌ای نحوه تبدیل آن از شکلی به شکل دیگر را تغییر می‌دهد.

سیگنالی که توسط آزمایش STAR در برخورددهنده یون سنگین نسبیتی (RHIC) در آزمایشگاه ملی بروکهاون در نیویورک شناسایی شد، به اندازه‌ای قوی است که احتمال وقوع آن یک تصادف آماری بسیار کم است. با این حال، محققان هشدار دادند که این شیب یک اشاره وسوسه انگیز است، نه دلیلی بر انتقالی که مدت ها به دنبال آن بودیم. آنها یافته های خود را در 22 سپتامبر در مجله Physical Review Letters منتشر کردند.

آیین نامه ای برای مسائل افراطی

پروتون ها و نوترون ها از ذرات کوچکتری به نام کوارک ساخته شده اند که توسط "نیروی قوی" حمل شده توسط ذرات به نام گلوئون در کنار هم نگه داشته می شوند. وقتی پروتون ها و نوترون ها به اندازه کافی گرم یا فشرده می شوند، ذوب می شوند و به یک سوپ داغ از کوارک ها و گلوئون های آزاد معروف به پلاسمای کوارک گلوئون تبدیل می شوند. تصور می شود که این سوپ اولیه از ذرات جهان را در اولین میلی ثانیه پس از انفجار بزرگ پر کرده است.

فیزیکدانان می‌خواهند با اندازه‌گیری معادله به اصطلاح حالت ماده هسته‌ای، چگونگی وقوع این سوپ‌سازی را مشخص کنند. روتیک مانیکاندان، محقق فیزیک فوق دکتری در دانشگاه ایالتی اوهایو، در ایمیلی به لایو ساینس گفت: برای آب، به شما می گوید که چگونه فشار، دما و چگالی به هم مرتبط هستند، و بنابراین زمانی که یخ می زند، می جوشد یا منبسط می شود. مانیکاندان افزود: برای ماده هسته ای، "این کتاب قوانین اساسی برای ماده در شدیدترین شرایط در طبیعت، مانند هسته ستاره های نوترونی است."

مانیکاندان گفت: «نقطه بحرانی» نقطه عطفی کلیدی در آن کتاب قوانین است: «برای آب، نقطه‌ای است که مرز بین مایع و بخار ناپدید می‌شود» و نظریه‌پردازان مدت‌ها گمان می‌کردند که ماده هسته‌ای نقطه مشابهی دارد. در دماهای بسیار بالا، ماده به آرامی و به تدریج به پلاسمای کوارک گلوئون ذوب می شود، اما در چگالی های بالاتر، این تغییر ممکن است ناگهانی شود.

نقطه بحرانی جایی است که یک نوع انتقال به دیگری تبدیل می شود. برخی از محاسبات اخیر این نقطه را در دسترس برخوردهای کم انرژی RHIC قرار می دهد. مانیکاندان گفت: "اما همه اینها هنوز حدس زده می شود و هنوز هیچ چیز مشخصی، چه از سوی تجربی گرایان و چه از سوی نظریه پردازان وجود ندارد."

این کار برای کیهان شناسی نیز اهمیت دارد. مانیکاندان گفت: «از آنجایی که ماده‌ای که ما در این برخوردها ایجاد می‌کنیم شبیه ماده‌ای است که چند میکروثانیه پس از انفجار بزرگ جهان را پر کرده است، نقشه‌برداری از نحوه رفتار آن به ما کمک می‌کند بفهمیم چگونه جهان از یک سوپ داغ کوارک‌ها و گلوئون‌ها به پروتون‌ها و نوترون‌هایی که همه چیز را تشکیل می‌دهند، تکامل یافته است.»

بخش مرکزی آشکارساز STAR سه طبقه در برخورد دهنده یون سنگین نسبیتی (RHIC). دانشمندان اخیرا از این آشکارساز برای مطالعه شرایط کیهان اولیه، درست چند میلی ثانیه پس از انفجار بزرگ استفاده کردند. (اعتبار تصویر: آزمایشگاه ملی بروکهاون) نزولی که در آن روند آرام انتظار می رفت

برای کاوش در این قلمرو، محققان RHIC را در طیف وسیعی از انرژی های برخورد اجرا کردند. هر چه انرژی کمتر باشد، ماده برخورد شده محکم تر فشرده می شود. مانیکاندان گفت، STAR برای اجرای کم انرژی خود از یک تنظیم "هدف ثابت" استفاده کرد که در آن پرتوی از هسته های طلا به جای پرتو دومی که به طرف مقابل می آید، به "ورقه طلای نازکی که در داخل آشکارساز قرار داده شده است" برخورد می کند. این متراکم ترین ماده ای را که RHIC می تواند بسازد تولید می کند.

انرژی های برخورد با الکترون ولت اندازه گیری می شود (انرژی که یک الکترون در صورت شتاب گیری در عرض 1 ولت به دست می آورد). این مقدار بسیار ناچیز است، بنابراین فیزیکدانان ذرات معمولا در میلیاردها الکترون ولت یا گیگا الکترون ولت (GeV) کار می کنند. طبق معادله معروف انیشتین E = mc 2، یک GeV تقریبا انرژی محبوس شده در جرم یک پروتون واحد است. این تیم تقریبا 1 میلیارد برخورد را با انرژی‌های بین 3 تا 7.7 گیگا ولت به ازای هر جفت پروتون یا نوترون در حال برخورد تجزیه و تحلیل کردند. این پایین ترین محدوده RHIC است که به 200 GeV می رسد.

در هر برخورد، تیم اندازه گیری کرد که چگونه ذرات باردار سخت به سمت بیرون از گلوله آتش پرتاب می شوند - کمیتی که به عنوان تکانه عرضی شناخته می شود. سپس محققان به دنبال همبستگی بین ذرات بودند. یک همبستگی اندازه گیری می کند که آیا دو چیز تمایل به تغییر با هم دارند یا خیر. در اینجا، تیم بررسی کرد که آیا جفت ذرات حاصل از برخورد یکسان تمایل به پرتاب شدن هر دو سخت‌تر از حد متوسط ​​دارند یا هر دو به آرامی. این چیزی را در مورد گلوله آتشین به عنوان یک کل آشکار می کند. اگر یک توپ آتشین کمی داغتر باشد، یا با شدت بیشتری منبسط شود، همه ذرات آن یک لگد جانبی اضافی به هم می گیرند.

Manikandhan گفت: "این همبستگی ها منعکس کننده میزان نوسان دما و جریان گلوله آتشین است."

نزدیک به یک نقطه بحرانی، انتظار می رود ظرفیت گرمایی ماده - مقدار انرژی مورد نیاز برای افزایش دمای آن - افزایش یابد. این باعث می شود که دمای گلوله آتشین تکان بخورد، بنابراین همبستگی ها باید ضعیف شوند. مانیکاندان گفت: «اگر ماده به نقطه بحرانی یا تغییر فاز نزدیک شود، انتظار داریم که با تغییر انرژی برخورد، شاهد تغییر آن همبستگی‌ها به شیوه‌ای غیرمعمول و غیرهموار باشیم.»

این همان چیزی است که تیم در بیشترین برخوردهای رودررو شاهد بود. مانیکاندان گفت: «به جای تغییر هموار با انرژی، همبستگی ها افت نشان می دهند. محققان داده ها را با یک روند صاف که توسط اندازه گیری های STAR قبلی در انرژی های بالاتر تثبیت شده بود، مقایسه کردند. شیب از آن روند با اهمیت آماری 5 سیگما خارج می شود، فیزیکدانان استاندارد معمولا قبل از اینکه یک سیگنال را واقعی تلقی کنند، درخواست می کنند. این بدان معناست که اگر روند واقعی هموار بود، پراکندگی تصادفی در داده‌ها تنها یک بار در 3.5 میلیون تلاش، چنین افت شدیدی را ایجاد می‌کرد.

Manikandhan گفت: "روند صاف همان چیزی است که شما از مواد هسته ای معمولی انتظار دارید، بنابراین یک فرورفتگی نشان می دهد که در آن شرایط اتفاق جالب تری در حال رخ دادن است."

در مقابل، یک شبیه‌سازی رایانه‌ای پرکاربرد از برخوردها، که حاوی هیچ نقطه بحرانی نیست، روند کلی را بازتولید کرد، اما شیب را بازتولید نکرد. برخوردهای خارج از مرکز فقط یک نشانه ضعیف از همان ویژگی را نشان می‌داد، که آنقدر ضعیف است که به تنهایی نمی‌توان آن را به عنوان مدرک تلقی کرد.

هنوز حرف پایانی نیست

Manikandhan گفت: "نتیجه پیشنهادی است، نه اثبات یک نقطه بحرانی." محققان خاطرنشان کردند که اثرات غیرمرتبط با یک نقطه بحرانی نیز می‌تواند این نوسانات را شکل دهد، و این که چقدر از افت آنها می‌توانند توضیح دهند نامشخص است.

داستان های مرتبط

"مخلوطی از صفر تا بی نهایت": فیزیکدانان یک فوتون را از هم جدا کردند - و در نهایت با انبوهی از ذرات نامحتمل به پایان رسیدند.

آیا شبه ذرات واقعی هستند؟

فیزیکدانان به تازگی شاهد حرکت نوک‌های تاریکی با سرعتی بیشتر از سرعت نور بوده‌اند - بدون اینکه قوانین نسبیت را زیر پا بگذارند.

مانیکاندان گفت، با این حال، این افت «به مجموعه‌ای از شرایط اشاره می‌کند که در آن رفتار ماده هسته‌ای تغییر می‌کند، و به نظریه‌پردازان اندازه‌گیری دقیق و جدید برای آزمایش محاسباتشان می‌دهد».

Manikandhan گفت: در مرحله بعد، تیم قصد دارد از همبستگی ها برای "استخراج گرمای ویژه ماده داغ" استفاده کند. سپس آن‌ها آن را با شبیه‌سازی‌های ابررایانه‌ای مقایسه می‌کنند که رفتار کوارک‌ها و گلوئون‌ها را از اصول اولیه محاسبه می‌کنند.

محققان همچنین قصد دارند این شیب را با مدل‌های نظری بیشتری آزمایش کنند و آن را با اندازه‌گیری‌های دیگر مانند نوسانات تعداد پروتون‌های تولید شده در برخوردها ترکیب کنند. Manikandhan گفت: «تنها زمانی که اندازه‌گیری‌های مختلف موافق باشند، می‌توانیم با اطمینان بگوییم که آیا یک نقطه بحرانی وجود دارد یا خیر.