مصادم الهادرونات الكبير يعطي العلماء أفضل نظرة حتى الآن على الظروف بعد الانفجار الكبير

أقوى مسرع للجسيمات في العالم، مصادم الهادرونات الكبير، أعطى العلماء أفضل نظرة حتى الآن على بلازما كوارك-غلوون، المادة البدائية التي ملأت الكون بعد لحظات من الانفجار الكبير.

خلال الأجزاء الأولى من الثانية من وجود الكون، كان الكون ممتلئًا بحساء بدائي ساخن وكثيف يسمى بلازما كوارك غلوون. في مسرع الجسيمات الدائري الذي يبلغ طوله 17 ميلًا تقريبًا، مصادم الهادرونات الكبير (LHC) الذي يقع في أعماق جبال الألب الفرنسية، أعاد علماء CERN إنشاء بلازما كوارك-غلوون عن طريق تحطيم نوى الحديد الذرية معًا بسرعة قريبة من الضوء. يُطلق على المشروع اسم ALICE (تجربة المصادم الأيوني الكبير).

حصل فريق ALICE على معلومات جديدة حول بلازما الكوارك-غلوون (وبالتالي الظروف في الكون المبكر) عندما اكتشفوا نمطًا شائعًا في الاصطدامات بين البروتونات – الجسيمات الموجودة في قلب الذرات – الاصطدامات بين البروتونات ونواة الرصاص، والاصطدامات بين نوى الرصاص نفسها. يمكن أن يكشف هذا النمط عن كيفية تشكل بلازما الكوارك-غلوون مباشرة بعد الانفجار العظيممما يشير إلى أنه يمكن تشكيله عن طريق اصطدام جسيمات أصغر مما كان يعتقد سابقًا.

عندما بدأ العلماء لأول مرة في تحطيم البروتونات معًا في مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، كانت هناك نظرية مفادها أن الاصطدامات بين البروتونات وكذلك بين البروتونات والرصاص ستكون أصغر من أن تولد بلازما كوارك-غلوون. ومع ذلك، فقد شوهدت مؤخرًا علامات محيرة لهذه المادة البدائية في هذه الاصطدامات الصغيرة وكذلك في الاصطدامات بين نوى الرصاص.

إحدى السمات المميزة لبلازما كوارك-غلوون وتكوينها هي حقيقة أن الجسيمات لا تنبعث بشكل متساوٍ، ولكن في اتجاه مفضل، وهو ما يسميه العلماء التدفق متباين الخواص. عند السرعات المتوسطة، يعتمد تدفق الجسيمات متباين الخواص على عدد الكواركات التي تتكون منها. تظهر الباريونات، وهي جسيمات مكونة من ثلاثة كواركات، تدفقًا أقوى من الميزونات، وهي جسيمات مكونة من كواركين.

ويعتقد العلماء أن هذا مرتبط بالعملية التي تجمع الكواركات معًا لتكوين جزيئات أكبر. تحتوي الباريونات على عدد أكبر من الكواركات، وبالتالي تكتسب تدفقًا أكبر.

في بحث جديد، أوضحت ALICE Collaboration كيف قاموا بقياس التدفق متباين الخواص لمختلف الميزونات والباريونات الناتجة عن اصطدامات البروتون والبروتون والبروتون والرصاص. من خلال عزل الجسيمات المتدفقة معًا، أكد الفريق أنه، كما هو الحال في الاصطدامات الثقيلة، تؤدي هذه الاصطدامات الأخف إلى ظهور باريونات ذات تدفق أقوى وميسونات ذات تدفق أضعف عند السرعات المتوسطة.

“هذه هي المرة الأولى التي نلاحظ فيها، على مدى فترة زمنية كبيرة في الزخم ولأنواع متعددة، نمط التدفق هذا في مجموعة فرعية من تصادمات البروتونات التي يتم فيها إنتاج عدد كبير بشكل غير عادي من الجسيمات،” ديفيد دوبريجكيت تشينيلاتو، منسق الفيزياء في تجربة ALICE، قال في بيان. “تدعم نتائجنا الفرضية القائلة بوجود نظام متوسع من الكواركات حتى عندما يكون حجم نظام الاصطدام صغيرًا.”

قارن فريق ALICE ملاحظات التدفق التي أجروها مع نماذج تكوين بلازما الكوارك والغلوون، ووجدوا أن نمط التدفق يتناسب بشكل وثيق مع النماذج التي تفسر تكوين الباريونات والميزونات. ومع ذلك، فإن النماذج التي لا تأخذ في الاعتبار اندماج الكواركات هذا، فشلت في تكرار نمط التدفق المرصود.

ووجد الباحثون أيضًا أنه حتى أفضل النماذج ملاءمةً لم تتمكن من تفسير التدفق الملحوظ بشكل كامل. لا تزال هناك بعض التناقضات العالقة، والتجاعيد التي يعتقد الفريق أن الاصطدامات الأخرى بين الجسيمات ذات الأحجام بين البروتونات والحديد يمكن أن تساعد في حلها.

وقال المتحدث باسم ALICE، كاي شويدا، في البيان: “نتوقع أنه من خلال اصطدامات الأكسجين التي تم تسجيلها في عام 2025، والتي تسد الفجوة بين اصطدامات البروتونات واصطدامات الرصاص، سنكتسب رؤى جديدة حول طبيعة وتطور بلازما كوارك-غلوون عبر أنظمة الاصطدام المختلفة”.

ومن ثم، سيقترب العلماء أكثر من فهم الظروف التي كانت موجودة في فجر الكون.

وكانت ورقة حول هذا البحث نشرت في 20 مارس في مجلة Nature Communications،