قام الفيزيائيون بتحطيم نوى الذهب معًا بسرعة تقارب سرعة الضوء ووجدوا نمطًا غير متوقع في الجسيمات التي تناثرت من خلال هذه الاصطدامات. إذا تم تأكيد هذا النمط، فيمكن أن يساعد في الكشف عن كيفية تبريد وتكثيف الحساء الساخن من الكواركات والجلونات، الذي ملأ الكون في الميكروثانية القليلة الأولى بعد الانفجار الكبير، في البروتونات والنيوترونات التي تشكل المادة العادية اليوم.
في كل تصادم، تندفع الجسيمات إلى الخارج؛ في المتوسط، تختلف مدى قوة قذفها قليلًا من تصادم إلى آخر. وتوقع الفيزيائيون أن يتغير حجم هذه الاختلافات بسلاسة أثناء تعديل طاقة الاصطدام. وبدلا من ذلك، انخفضت الاختلافات، وتقلصت ثم نمت مرة أخرى. يمكن أن يكون هذا الانخفاض علامة على “النقطة الحرجة” التي طال انتظارها، وهي مجموعة خاصة من الظروف التي تغير فيها المادة النووية الطريقة التي تتحول بها من شكل إلى آخر.
إن الإشارة التي تم اكتشافها بواسطة تجربة STAR في مصادم الأيونات الثقيلة النسبية (RHIC) في مختبر بروكهافن الوطني في نيويورك، قوية بما يكفي لدرجة أنه من غير المرجح أن تكون حادثة إحصائية. ومع ذلك، حذر الباحثون من أن الانخفاض هو تلميح محير، وليس دليلاً على التحول الذي طال انتظاره. وقد نشروا النتائج التي توصلوا إليها في 22 سبتمبر في المجلة رسائل المراجعة البدنية.
أحدث مقاطع الفيديو منالعلوم الحية
كتاب القواعد للمادة المتطرفة
تتكون البروتونات والنيوترونات من جسيمات أصغر تسمى الكواركات، والتي ترتبط معًا بواسطة “قوة قوية“تحملها جسيمات تسمى غلوونات. عند تسخينها أو ضغطها بدرجة كافية، تذوب البروتونات والنيوترونات في حساء ساخن من الكواركات والغلوونات الحرة المعروفة باسم بلازما كوارك-غلوون. ويعتقد أن هذا الحساء البدائي من الجسيمات ملأ الكون في المللي ثانية الأولى بعد الانفجار الكبير.
ويريد الفيزيائيون تحديد كيفية حدوث هذا الحساء، عن طريق قياس ما يسمى معادلة الدولة من المادة النووية. “بالنسبة للماء، فهو يخبرك بكيفية ارتباط الضغط ودرجة الحرارة والكثافة، وبالتالي متى يتجمد أو يغلي أو يتوسع”، كما يقول المؤلف المشارك في الدراسة. روتيك مانيكاندانأخبر باحث فيزياء ما بعد الدكتوراه في جامعة ولاية أوهايو موقع Live Science في رسالة بالبريد الإلكتروني. وأضاف مانيكاندان أنه بالنسبة للمادة النووية “فهو كتاب القواعد الأساسية للمادة في ظل الظروف الأكثر تطرفا في الطبيعة، مثل نوى النجوم النيوترونية”.
“النقطة الحرجة” هي معلم رئيسي في كتاب القواعد هذا. قال مانيكاندان: “بالنسبة للمياه، فهي النقطة التي يختفي فيها الحد بين السائل والبخار”، ويشتبه المنظرون منذ فترة طويلة في أن المادة النووية لها نقطة مماثلة. عند درجات الحرارة المرتفعة للغاية، تنصهر المادة بسلاسة وتدريجيًا إلى بلازما كوارك-جلوون، ولكن عند الكثافات الأعلى، قد يصبح التغيير مفاجئًا.
ستحدد النقطة الحرجة المكان الذي يتحول فيه نوع من التحول إلى نوع آخر. بعض الحسابات الحديثة تضع هذه النقطة في متناول اصطدامات RHIC ذات الطاقة المنخفضة. وقال مانيكاندان: “لكن كل هذا لا يزال مجرد تخمين، ولا يوجد شيء ملموس حتى الآن، سواء من التجريبيين أو المنظرين”.
احصل على الاكتشافات الأكثر روعة في العالم والتي يتم تسليمها مباشرة إلى صندوق الوارد الخاص بك.
العمل مهم أيضا لعلم الكونيات. “لأن المادة التي نخلقها في هذه الاصطدامات تشبه المادة التي ملأت الكون بعد بضعة ميكروثانية الانفجار الكبيروقال مانيكاندان: “إن رسم خريطة لكيفية تصرفه يساعدنا على فهم كيفية تطور الكون من حساء ساخن من الكواركات والجلونات إلى البروتونات والنيوترونات التي تشكل كل شيء اليوم”.
الجزء المركزي لكاشف STAR المكون من ثلاثة طوابق في مصادم الأيونات الثقيلة النسبي (RHIC). استخدم العلماء مؤخرًا الكاشف لدراسة ظروف الكون المبكر، بعد أجزاء من الثانية فقط من الانفجار الكبير.
(رصيد الصورة: مختبر بروكهافن الوطني)
تراجع حيث كان من المتوقع وجود اتجاه سلس
لاستكشاف هذه المنطقة، قام الباحثون بتشغيل RHIC في مجموعة من طاقات الاصطدام. كلما انخفضت الطاقة، زاد ضغط المادة المتصادمة. وقال مانيكاندان إنه من أجل تشغيله بأقل طاقة، استخدم STAR إعداد “هدف ثابت”، حيث تضرب شعاع من نوى الذهب “رقاقة ذهبية رقيقة موضوعة داخل الكاشف”، بدلاً من شعاع ثانٍ قادم. وهذا ينتج المادة الأكثر كثافة التي يمكن أن يصنعها RHIC.
يتم قياس طاقات التصادم بالإلكترون فولت (الطاقة التي يكتسبها الإلكترون عند تسريعه عبر 1 فولت). وهذه كمية ضئيلة، لذلك يعمل فيزيائيو الجسيمات عادة بمليارات الإلكترون فولت، أو جيجا إلكترون فولت (GeV). واحد GeV هو تقريبًا الطاقة المحبوسة في كتلة بروتون واحد، وفقًا لمعادلة أينشتاين الشهيرة E = mc2. قام الفريق بتحليل ما يقرب من مليار تصادم عند طاقات تتراوح بين 3 و7.7 جيجا إلكترون فولت لكل زوج من البروتونات أو النيوترونات المتصادمة. وهذا هو الجزء السفلي من نطاق RHIC ، والذي يصل إلى 200 GeV.
في كل تصادم، قام الفريق بقياس مدى قذف الجسيمات المشحونة بشكل جانبي خارج الكرة النارية، وهي الكمية المعروفة باسم الزخم العرضي. ثم بحث الباحثون عن الارتباطات بين الجزيئات. يقيس الارتباط ما إذا كان شيئان يميلان إلى التغيير معًا. هنا، قام الفريق بفحص ما إذا كانت أزواج الجسيمات من نفس الاصطدام تميل إلى الاندفاع بقوة أكبر من المتوسط، أو كلاهما بلطف أكثر. وهذا يكشف شيئًا عن الكرة النارية ككل. إذا كانت الكرة النارية أكثر سخونة قليلاً، أو تتوسع بقوة أكبر، فإن جميع جزيئاتها تحصل على ركلة جانبية إضافية معًا.
وقال مانيكاندان: “تعكس هذه الارتباطات مدى تقلب درجة الحرارة وتدفق كرة النار”.
بالقرب من نقطة حرجة، من المتوقع أن ترتفع السعة الحرارية للمادة – كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارتها. وهذا يجعل من الصعب تغيير درجة حرارة كرة النار، وبالتالي فإن الارتباطات يجب أن تضعف. وقال مانيكاندان: “إذا اقتربت المادة من نقطة حرجة أو تغير في الطور، فإننا نتوقع أن نرى تلك الارتباطات تتغير بطريقة غير عادية وغير سلسة مع تغيير طاقة الاصطدام”.
وهذا ما شاهده الفريق في معظم الاصطدامات المباشرة. وقال مانيكاندان: “بدلا من التغير بسلاسة مع الطاقة، تظهر الارتباطات تراجعا”. قارن الباحثون البيانات بالاتجاه السلس الذي ترتكز عليه قياسات STAR السابقة عند الطاقات الأعلى. ويبتعد الانخفاض عن هذا الاتجاه بأهمية إحصائية تبلغ 5 سيجما، وهو ما يطلبه الفيزيائيون القياسيون عادة قبل التعامل مع الإشارة على أنها حقيقية. ويعني ذلك أنه إذا كان الاتجاه الحقيقي سلسًا، فإن التشتت العشوائي في البيانات لن يؤدي إلى مثل هذا الانخفاض الواضح إلا مرة واحدة فقط من كل 3.5 مليون محاولة.
وقال مانيكاندان: “إن الاتجاه السلس هو ما تتوقعه من المادة النووية العادية، لذا فإن الانخفاض يشير إلى حدوث شيء أكثر إثارة للاهتمام في تلك الظروف”.
وعلى النقيض من ذلك، فإن محاكاة الكمبيوتر المستخدمة على نطاق واسع للاصطدامات، والتي لا تحتوي على نقطة حرجة، أعادت إنتاج الاتجاه العام ولكن ليس الانخفاض. ولم تظهر الاصطدامات خارج المركز سوى تلميح خافت لنفس الميزة، وهو أضعف من أن يمكن اعتباره دليلاً في حد ذاته.
ليست الكلمة النهائية بعد
وقال مانيكاندان: “النتيجة موحية وليست دليلاً على نقطة حرجة”. وأشار الباحثون إلى أن التأثيرات غير المرتبطة بنقطة حرجة يمكنها أيضًا تشكيل هذه التقلبات، وما زال حجم الانخفاض الذي يمكن أن تفسره غير واضح.
ومع ذلك، فإن الانخفاض “يشير إلى مجموعة من الظروف التي يتغير فيها سلوك المادة النووية، ويعطي المنظرين قياسًا جديدًا ودقيقًا لاختبار حساباتهم عليه”، كما قال مانيكاندان.
وقال مانيكاندان إن الفريق يخطط بعد ذلك لاستخدام الارتباطات “لاستخراج الحرارة النوعية للمادة الساخنة”. سيقومون بعد ذلك بمقارنتها مع عمليات محاكاة الكمبيوتر العملاق التي تحسب سلوك الكواركات والجلونات من المبادئ الأولى.
ويخطط الباحثون أيضًا لاختبار الانخفاض باستخدام المزيد من النماذج النظرية ودمجه مع قياسات أخرى، مثل التقلبات في عدد البروتونات المنتجة في الاصطدامات. وقال مانيكاندان: “فقط عندما تتفق القياسات المختلفة يمكننا أن نقول بثقة ما إذا كانت هناك نقطة حرجة”.
أبونا، بي، آدم، جي، أدامكزيك، إل، أجروال، آي، أجروال، إم إم، أحمد، زد، الشمري، أك، أشيناور، إي سي، أسلم، إس، أتشيسون، جي، وآخرون. (2026). عدم رتابة ارتباطات الزخم العرضي في تصادمات Au + Au عند RHIC. رسائل المراجعة البدنية، 137(13)، 132301. https://doi.org/10.1103/2xsn-rgx3
