پین کردن ساختار پلاسمای کوارک-گلئون، اولین سیال جهان

توسط جنیفر چو، موسسه فناوری ماساچوست

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

در اولین کسری از ثانیه پس از انفجار بزرگ، ماده به صورت یک پلاسمای تریلیون درجه از کوارک ها و گلوئون ها وجود داشت - ذرات زیراتمی که با سرعت نزدیک به نور به اطراف می چرخیدند. این سوپ جوشان تنها چند میکروثانیه دوام آورد تا اینکه ذرات به پروتون‌ها و نوترون‌های پایدارتر تبدیل شدند.

برای مطالعه این مایع اولیه، دانشمندان پلاسمای کوارک-گلوئون را در شتاب‌دهنده‌های ذرات بزرگ بازسازی کردند، جایی که یون‌ها با سرعت نزدیک به نور به هم کوبیده می‌شوند. این برخوردها باعث ایجاد قطرات پلاسما تقریبا به اندازه یک هسته اتمی می شود که تنها برای ده ها سپتییلیونم ثانیه وجود دارد.

یکی از روش‌هایی که دانشمندان این پلاسما را مطالعه می‌کنند، ردیابی ذرات دیگر مانند کوارک‌های سنگین است که بخشی از پلاسما نیستند اما اتفاقا در آن حرکت می‌کنند. نحوه حرکت یک ذره سنگین در یک سیال باید چیزی در مورد ساختار میکروسکوپی خود سیال بگوید. این رابطه عمومی توسط فیزیکدان آلبرت انیشتین در سال 1905 برقرار شد.

اما در چنین شرایط شدید، جایی که ذرات با سرعت نزدیک به نور حرکت می کنند، چیزی در نظریه انیشتین شروع به شکستن می کند. فعل و انفعالاتی در پلاسما وجود دارد که تئوری نمی تواند آنها را کاملا به تصویر بکشد.

اکنون، فیزیکدانان MIT و دانشگاه کالیفرنیا در سانتا باربارا (UCSB) از جایی که نظریه انیشتین متوقف شد، صحبت کرده‌اند. آنها نظریه ای را ارائه کرده اند که پیش بینی می کند چگونه یک ذره نسبیتی که با سرعتی نزدیک به نور حرکت می کند، احتمالا هنگام عبور از درون آن توسط یک سیال هل داده و کشیده می شود.

محققان تصور می کنند که این نظریه جدید می تواند برای پیش بینی چگونگی حرکت یک کوارک سنگین در پلاسمای کوارک-گلئون به کار رود. سپس می‌توان چنین پیش‌بینی‌هایی را با آزمایش‌هایی برای توصیف ساختار میکروسکوپی پلاسمای کوارک-گلئون و اینکه چه نوع سیالی باید در اولین لحظات کیهان وجود داشته باشد، مقایسه کرد.

ژان دو پلسیس، دانشجوی فارغ التحصیل در مرکز فیزیک نظری MIT - موسسه لاین وبر، می گوید: «نتیجه ما منبع جدیدی از اطلاعات را نشان می دهد که کوارک های سنگین با تغییرات نادر و غیرعادی بزرگ در حرکت آنها حمل می شوند. این تغییرات بزرگ به ماهیت میکروسکوپی پلاسما بستگی دارد و این احتمال را افزایش می‌دهد که آنها می‌توانند راه جدیدی برای یادگیری نحوه واقعی پلاسمای کوارک-گلوئون در داخل آن ارائه دهند.

Du Plessis و Bruno Scheihing-Hitschfeld از مؤسسه Kavli برای فیزیک نظری در UCSB یافته‌های خود را در Physical Review Letters گزارش می‌کنند.

در سال 1905، انیشتین نظریه ای را برای توصیف حرکت یک ذره در سیال و اینکه چگونه این حرکت می تواند ساختار میکروسکوپی سیال را آشکار کند، ارائه کرد. نظریه او از گیاه شناس رابرت براون الهام گرفته شده است. در سال 1827، براون یک پدیده شگفت‌انگیز را مشاهده کرد: دانه‌های گرده وقتی در آب به ظاهر ساکن معلق می‌شوند، به‌نظر می‌رسد که به‌طور تصادفی تکان می‌خورند و می‌چرخند. این لرزش عجیب ذرات در سیال بعدها «حرکت براونی» نام گرفت.

نظریه انیشتین در سال 1905 نشان داد که حرکت براونی محصول نیروهای نامرئی و میکروسکوپی درون سیال است. حرکت ذره تعادلی است بین کششی که سیال روی ذره اعمال می کند تا سرعت آن را کاهش دهد و ضربات تصادفی درون سیال که ذره را در حرکت نگه می دارد. انیشتین استدلال کرد که این ضربات تصادفی باید از نیروهای میکروسکوپی درون سیال ناشی شوند که توسط هیچ کس دیگری جز اتم‌ها و مولکول‌های سازنده مایع اعمال نمی‌شود. انرژی این ذرات میکروسکوپی می تواند به ذرات بزرگتر ضربه بزند و به حرکت درآورد.

از زمانی که او برای اولین بار نظریه خود را منتشر کرد، دانشمندان از توضیح انیشتین در مورد حرکت براونی برای توصیف مجموعه ای از سیالات، از جمله پلاسمای کوارک-گلئون استفاده کردند. مانند بسیاری از سیالات دیگر، فرض بر این بود که ذره ای که در پلاسمای کوارک-گلئون حرکت می کند باید تعادل مشابهی از ضربات میکروسکوپی را مانند دانه گرده ای که در آب حرکت می کند، تجربه کند.

این تعادل با توزیع احتمال زنگوله ای شکل نشان داده می شود، جایی که یک ذره به احتمال زیاد ضربه های با قدرت متوسط ​​(بالاترین نقطه زنگ) را تجربه می کند و به همان اندازه احتمال پایینی برای تجربه شدیدترین ضربات (انتهای دم زنگ) در حین حرکت ذره و در نهایت ته نشین شدن در یک سیال دارد.

دو پلسیس توضیح می‌دهد: «انیشتین نشان داد که کشش و ضربه‌های تصادفی باید به روشی درست متعادل شوند تا یک ذره در نهایت به همان دمای محیط اطرافش برسد». "در مورد انواع سیالاتی که او به آنها فکر می کرد، او درست می گفت. اما برای ذراتی که با سرعت نسبیتی حرکت می کنند، این رابطه از بین می رود. و ما 20 سال است که می دانیم چیزی کم است. بنابراین باید از کاری که اینشتین انجام داد فراتر برویم."

دو پلسیس و شیهینگ-هیچفلد در مطالعه جدید خود نیروهایی را محاسبه کردند که یک کوارک سنگین در صورت عبور از سیال با سرعت های نسبیتی نزدیک به سرعت نور، احتمالا تجربه می کند. آنها این کار را با انجام محاسبات مربوط به نیروی هسته ای قوی انجام دادند، که نیروی اساسی است که کوارک ها و گلوئون ها را به هم می کشد.

این تیم کار را با سناریویی از یک کوارک سنگین نسبیتی شروع کرد که از میان گاز کوارک‌ها و گلوئون‌هایی که برهمکنش ضعیفی دارند، پرواز می‌کرد. تعاملات ضعیف باعث شد که این یک نقطه شروع قابل مدیریت برای محاسبات آنها باشد.

برای این سناریوی شروع، آنها نیروی هسته ای قوی کوارک سنگین را محاسبه کردند و میزان تکانه آن احتمالا با حرکت در گاز کوارک ها و گلوئون ها چقدر تغییر می کند. این محاسبه یک منحنی یا توزیع احتمالی از تغییرات تکانه کوارک ایجاد کرد. همین منحنی می تواند نشان دهنده احتمال ضربه خوردن کوارک با نیروهای مختلف باشد. ضربات قوی تر باعث تغییرات بزرگتر در حرکت کوارک می شود.

منحنی که محققان محاسبه کردند، شبیه به آنچه انیشتین در مورد مایعات دیگر یافت، فقط برای ضربات کوچک بود. و برخلاف منحنی زنگ‌شکل انیشتین، چیزی که تیم پیدا کرد نشان داد که کوارک‌های سنگین با سرعت‌های نسبیتی حرکت می‌کنند. دم در هر دو انتهای منحنی ناهموار بود و عدم تعادل شگفت انگیزی را در انواع ضربه هایی که یک کوارک سنگین تجربه می کرد نشان داد.

دو پلسیس می گوید: «تصویر معمول براونی فرض می کند که ضربات بزرگ بسیار نادر می شود. با این حال، برای کوارک‌های سنگین، این ضربات نادر بیشتر از آن چیزی است که منحنی زنگ پیش‌بینی می‌کند، و احتمال یکسانی در جهت‌های متضاد وجود ندارد: یک ضربه بزرگ که سرعت کوارک را بیش از حد انتظار از کشش کاهش می‌دهد، محتمل‌تر از ضربه‌ای به همان اندازه بزرگ است که باعث می‌شود آن را سریع‌تر از حد انتظار حرکت کند.

این تیم محاسبات مشابهی را در پلاسمای متشکل از ذرات مختلف انجام دادند. آنها دریافتند که همان منحنی کج شده بدون در نظر گرفتن ساختار پلاسما اعمال می شود. علاوه بر این، آنها دریافتند که همین ساختار قبلا در یک محاسبات قبلی در یک پلاسمای شدیدا جفت شده پنهان شده بود، علیرغم تفاوت‌های موجود در فیزیک میکروسکوپی.

دو پلسیس می گوید: «این اولین بار است که این ساختار به ظاهر جهانی تحقق یافته و واقعا رسمیت یافته است. این یک مسیر مشخص را برای درک بهتر پلاسمای کوارک-گلوئون با استفاده از کوارک های سنگین ارائه می دهد.

دو پلسیس می‌گوید که پلاسمای کوارک-گلوئون اولیه احتمالا «قوی‌تر از مدل‌سازی حرکت براونی که نشان می‌دهد، برهم‌کنش می‌کند. بیشتر شبیه یک مایع است و کمتر شبیه گاز».

Jean F. Du Plessis و همکاران، حمل و نقل کوارک سنگین فراتر از لگاریتم پیشرو غیر گاوسی است، Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/7fd5-1kq5

ارائه شده توسط موسسه فناوری ماساچوست

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →

این داستان با حسن نیت از MIT News (web.mit.edu/newsoffice/)، یک سایت محبوب که اخبار مربوط به تحقیقات، نوآوری و آموزش MIT را پوشش می دهد، بازنشر شده است.