Observation of partonic flow in proton-proton and proton-nucleus collisions
تُبلغ هذه الورقة عن أول رصد لتجميع مميز للباريونات والميزونات في التدفق متباين الخواص ضمن تصادمات البروتون-بروتون والبروتون-رصاص عالية التعددية في مصادم الهادرونات الكبير، مما يوفر دليلاً قوياً على تشكل أنظمة تدفق جزئية تتوافق مع بلازما الكوارك-غلوون في هذه الأنظمة التصادمية الأصغر.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، لم يكن الكون مكوناً من الذرات الصلبة التي تبني عالمنا اليوم. بدلاً من ذلك، كان عبارة عن حساء هائل وساخن جداً من الجسيمات الأساسية المسمى الكواركات والغلونات. هذه الجسيمات، التي تلتصق عادةً ببعضها لتشكل البروتونات والنيوترونات، كانت تسبح بحرية في حالة من المادة تُعرف باسم بلازما الكوارك-غلون. ومع تبريد الكون، تجمدت هذه البلازما لتتحول إلى الهادرونات التي نراها اليوم. ولفهم كيفية حدوث هذا الانتقال، يعيد العلماء إنشاء هذه الظروف القاسية عن طريق صدم نوى ذرية ثقيلة ببعضها البعض بسرعة تقارب سرعة الضوء. وعندما تحدث هذه الاصطدامات الضخمة، فإنها تخلق قطرة ضئيلة وعابرة من هذه البلازما البدائية. ومن خلال دراسة كيفية انطلاق الجسيمات من هذه الاصطدامات، يمكن للباحثين معرفة كيفية سلوك البلازما، وبالتحديد البحث عن علامات تشير إلى أن الجسيمات تحركت معاً بطريقة منسقة تشبه حركة السوائل بدلاً من التشتت العشوائي.
لعقود من الزمن، لم يُلاحظ هذا التحرك المنسق، أو "التدفق"، إلا في الاصطدامات التي تشمل أيونات ثقيلة، حيث أشار العدد الهائل من الجسيمات إلى تشكل قطرة كبيرة تشبه السائل. ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، لاحظ العلماء تشابهات غريبة في اصطدامات أصغر بكثير، مثل تلك التي تحدث بين بروتون واحد ونواة رصاص، أو حتى بين بروتونين. لم تكن هذه الأنظمة الصغيرة متوقعة لتكون كبيرة بما يكفي لتشكيل سائل. وأصبح السؤال هو ما إذا كانت هذه الاصطدامات الصغيرة تخلق أيضاً قطرة ضئيلة من بلازما الكوارك-غلون، أم أن الأنماط المرصودة كانت ناتجة عن شيء آخر تماماً. وقد قدم تعاون "أليس" (ALICE) في مصادم الهادرونات الكبير الآن أوضح دليل حتى الآن على أن هذه الاصطدقات الصغيرة جداً تشكل بالفعل حالة مادية تشبه السائل.
ركز الباحثون على الأحداث ذات التعددية العالية، وهي الاصطدامات التي تنتج عدداً كبيراً بشكل مفاجئ من الجسيمات، وقارنوها بالأحداث ذات التعددية المنخفضة التي تنتج عدداً أقل من الجسيمات. وقد حللوا بيانات من اصطدامات البروتونات مع نوى الرصاص عند طاقة قدرها 5.02 تيرا إلكترون فولت، واصطدامات بين بروتونين عند 13 تيرا إلكترون فولت. ولتفسير هذه الفوضى، قاموا بتصنيف الجسيمات إلى عائلتين رئيسيتين: الميزونات، وهي مكونة من زوج من الكواركات، والباريونات، وهي مكونة من ثلاثة كواركات. ثم قاموا بقياس كيفية توزيع هذه الجسيمات أثناء تحركها نحو الخارج من نقطة الاصطدام. وفي السائل الذي يتمدد، تميل الجسيمات الأثقل إلى التحرك بشكل مختلف عن الجسيمات الأخف عند السرعات المنخفضة، وهو نمط أكد الفريق أنه يمكنهم رؤيته حتى في هذه الاصطدامات الصغيرة.
جاء الاكتشاف الأكثر أهمية عندما نظروا إلى الجسيمات التي تتحرك بسرعات متوسطة. في هذا النطاق، وجد الفريق انفصالاً واضحاً بين سلوك الباريونات والميزونات. أظهرت الباريونات تدفقاً منسقاً أقوى من الميزونات. وهذا التجميع المحدد هو سمة مميزة لنظام يتم فيه تشكيل الجسيمات عن طريق دمج الكواركات المتدفقة. تخيل حشداً من الناس يتحرك في موجة منسقة؛ إذا كانت الموجة مكونة من أفراد، فإن المجموعات المكونة من ثلاثة أشخاص تتحرك معاً ستتصرف بشكل مختلف عن المجموعات المكونة من شخصين. وبالمثل، فإن حقيقة أن الباريونات (ذات الثلاثة كواركات) والميزونات (ذات الكواركين) تنقسم إلى أنماط تدفق مختلفة تشير إلى أن التدفق حدث على مستوى الكواركات الفردية قبل أن تتحد لتشكل الجسيمات التي نرصدها.
ولتأكيد هذا التفسير، قارن الفريق قياساتهم بنماذج حاسوبية متطورة. أحد النماذج، الذي تضمن فيزيائية بلازما الكوارك-غلون المتدفقة يتبعها اندماج الكواركات لتشكيل الجسيمات، نجح في إعادة إنتاج الأنماط المرصودة. وقد طابق هذا النموذج البيانات لكل من اصطدامات البروتون-رصاص والبروتون-بروتون. وفي المقابل، فشلت نماذج أخرى حاولت تفسير النتائج دون وجود مرحلة سائلة، أو اعتمدت على آليات مختلفة مثل التفاعلات الشبيهة بالخيوط، في التقاط هذا الانفصال المحدد بين الباريونات والميزونات. لم تستطع هذه النماذج البديلة تفسير سبب تدفق الجسيمات ذات الثلاثة كواركات بقوة أكبر من الجسيمات ذات الكواركين عند هذه السرعات.
كما تناولت الدراسة حالات عدم اليقين السابقة في كيفية قياس هذه التأثيرات. كانت المحاولات السابقة لإيجاد هذا النمط في الأنظمة الصغيرة غالباً ما تختلط بـ "الضجيج" الناتج عن تفاعلات الجسيمات غير المرتبطة. استخدم فريق "أليس" تقنية مطورة لتصفية هذا الضجيج، مما ضمن أن الإشارة التي يقيسونها نابعة حقاً من الحركة الجماعية للنظام. ومن خلال الفصل بعناية بين التدفق الحقيقي والتأثيرات الخلفية، تمكنوا من إظهار أن تجميع الباريونات والميزونات هو سمة قوية، تظهر بيقين إحصائي عالٍ في كلا النوعين من الاصطدامات الصغيرة.
تشير هذه الدراسة إلى أن تشكل بلازما الكوارك-غلون ليس مقتصرًا على الاصطدامات الضخمة للأيونات الثقيلة. فحتى في أصغر الاصطدامات بين البروتونات، إذا تم حشر طاقة كافية في مساحة صغيرة، يمكن لقطرة ضئيلة من هذه السائل البدائي أن تتشكل وتتمدد. وتشير النتائج إلى أن الانتقال من سائل من الكواركات الحرة إلى مادة صلبة هو خاصية أساسية للاصطدامات عالية الطاقة، وتحدث بغض النظر عن حجم الأجسام المتصادمة، طالما توفرت الظروف المناسبة. وتوفر النتائج حجة قوية على أن القوانين التي تحكم سلوك الكون المبكر تنطبق حتى على الاصطدامات المجهرية عالية السرعة التي تحدث اليوم في المختبر.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.