Centrality dependence of charged-particle pseudorapidity density at midrapidity in Pb-Pb collisions at TeV
تقدم تجربة ALICE قياساتها الأولى في الدورة الثالثة لكثافة الشحنة الجسيمية في السمتية عند السرعة الزاوية المتوسطة في تصادمات Pb-Pb عند طاقة مركز الكتلة لكل نوية تبلغ 5.36 تريليون إلكترون فولت، وذلك باستخدام كواشف مطورة لإنشاء خط أساس يعتمد على المركزية ويتماشى مع الاتجاهات السابقة، ويتم مقارنته بنماذج نظرية مختلفة لإنتاج الجسيمات.
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 قلب المادة، حيث تُجرد الذرات من أغلفتها وتُجبر البروتونات والنيوترونات على التصادم، يكمن حال من الوجود لم يُرَ منذ اللحظات الأولى للكون. فعندما تصطدم النوى الذرية الثقيلة ببعضها البعض بسرعات تقترب من سرعة الضوء، فإنها تخلق قطرة ضئيلة وعابرة من سائل شديد السخونة يُعرف باسم بلازما الكوارك-غلوون. في هذه البيئة القاسية، تذوب المكونات الأساسية للمادة، والتي عادة ما تكون محبوسة بإحكام داخل البروتونات والنيوترونات، لتتحرر وتتجول معاً. يدرس الفيزيائيون هذه الاصطدامات لفهم كيف بردت الكون وشكلت البنية التي نراها اليوم. وللقيام بذلك، يحتاجون إلى عدّ الجسيمات التي تنطلق من عقب التصادم؛ إذ يخبرهم عدد الجسيمات المنتجة مقدار الطاقة التي حُشرت في التصادم وكيف تصرفت المادة في تلك اللحظات الأولى، وهي وسيلة لقياس حجم وشكل كرة النار الناتجة عن الارتطام.
قام فريق من العلماء العاملين مع كاشف "أليس" (ALICE) في مصادم الهادرونات الكبير بإلقاء نظرة جديدة على هذه الاصطدامات باستخدام آلة مطورة حديثاً. لقد حطموا نوى الرصاص مع بعضها البعض عند مستوى طاقة قياسي، مما خلق نظاماً كثيفاً للغاية تطلب عملية إصلاح شاملة لقدرة الكاشف على مواكبة الأمر. ركز الباحثون على عد الجسيمات المشحونة التي انبثقت من مركز التصادم. ومن خلال تحليل مليارات من هذه الأحداث، رسموا خريطة دقيقة لعدد الجسيمات المنتجة اعتماداً على مدى مباشرة التصادم (مدى المواجهة). ويؤكد عملهم أن القواعد التي تحكم هذه الانفجارات الصغيرة تظل قائمة حتى عند هذه الطاقات الجديدة والأعلى، بينما يكشف أيضاً أن كمية المادة المتولدة تنمو بشكل أسرع في هذه الاصطدامات الثقيلة مقارنة بالاصطدامات بين البروتونات المنفردة.
جرى التجربة في عام 2023، عندما كان مصادم الهادرونات الكبير يعمل بأيونات الرصاص عند طاقة مركز الكتلة لكل زوج من النوكليونات تبلغ 5.36 تيرا إلكترون فولت. وهذه هي أعلى طاقة تم تحقيقها على الإطلاق لمثل هذه الاصطدامات بين الأيونات الثقيلة. ولالتقاط البيانات، اعتمد فريق "أليس" على تحديثين رئيسيين تم تثبيتهما خلال فترة إغلاق طويلة للمسرع. الأول كان نظام تتبع داخلي جديد مكون من طبقات من مستشعرات السيليكون عالية الحساسية، والثاني كان عملية إصلاح شاملة لغرفة الإسقاط الزمني الكبيرة، والتي تعمل بمثابة كاميرا ثلاثية الأبعاد عملاقة للجسيمات. وخلافاً للجولات السابقة حيث كان الكاشف ينتظر إشارة لبدء التسجيل، يعمل النظام الجديد في وضع مستمر، حيث يقرأ البيانات دون توقف. كان هذا ضرورياً لأن الاصطدامات كانت تحدث بوتيرة عالية جداً لدرجة أن الكاشف كان سيفقد معظمها لو اضطر للتوقف بين كل حدث وآخر. وكان على الفريق تطوير برمجيات جديدة لفرز تدفق المعلومات المستمر ومطابقة كل مسار جسيم مع رأس التصادم الصحيح.
حلل الباحثون عينة من 1.1 مليار تصادم "متعدد التباين" (minimum-bias)، والتي تشمل جميع أنواع الاصطدامات من الضربات الجانبية إلى الضربات المباشرة. وقد قاموا بفرز هذه الأحداث إلى عشر مجموعات بناءً على مدى مركزية التصادم، باستخدام إشارات من كواشف أمامية لتقدير عدد النوكليونات التي تفاعلت بالفعل من نوى الرصاص. وبالنسبة لأكثر التصادمات مركزية، حيث تصطدم النوى في المركز تماماً، وجد الفريق أن متوسط عدد الجسيمات المشحونة المنتجة في مركز التصادم كان 2,010، مع هامش خطأ صغير. ومع تحول التصادمات لتصبح أكثر طرفية، أو جانبية، انخفض عدد الجسيمات بشكل كبير ليصل إلى حوالي 21.5 في حالات الاصطدام الأكثر هامشية. سمح هذا التباين للعلماء بدراسة كيفية تأثير هندسة التصادم على إنتاج المادة.
ولفهم هذه الأرقام، قارن الفريق عدد الجسيمات بعدد النوكليونات المشاركة، والتي تمثل إجمالي البروتونات والنيترونات التي شاركت في التصادم. ووجدوا أنه عند تطبيع البيانات عبر قسمة عدد الجسيمات على عدد أزواج النوكليونات المشاركة، كانت النتيجة 10.5 لأكثر التصادمات مركزية. هذه القيمة أعلى بنحو 4 بالمائة مما تم قياسه في اصطدامات مماثلة عند طاقة أقل قليلاً تبلغ 5.02 تيرا إلكترون فولت. ويتبع هذا الارتفاع اتجاهاً يمكن التنبؤ به شوهد في تجارب سابقة عند طاقات أدنى، مما يؤكد أن إنتاج الجسيمات في اصطدامات الأيونات الثقيلة يتناسب مع الطاقة بطريقة محددة. كما أن معدل زيادة إنتاج الجسيمات مع الطاقة يكون أسرع في اصطدامات الرصاص الثقيلة هذه مقارنة بالاصطدامات بين البروتونات المنفردة، مما يشير إلى أن السلوك الجماعي للعديد من النوكليونات يلعب دوراً حاسماً.
اختبرت الورقة البحثية أيضاً عدة نماذج نظرية تحاول وصف كيفية تشكل هذه الجسيمات. تفترض بعض النماذج أن المادة تتشكل كسائل يتمدد ويبرد وفقاً لقوانين الهيدروديناميكا، بينما تعامل نماذج أخرى التصادم كسلسلة من التفاعلات الفردية بين النوكليونات دون أي سلوك مائع جماعي. وأظهرت البيانات أنه بينما استطاعت بعض هذه النماذج التقاط الشكل العام للنتائج، إلا أنها جميعاً قللت بشكل منهجي من العدد الفعلي للجسيمات المنتجة عبر نطاق مركزية التصادم. أحد النماذج التي تضمنت محاكاة لكيفية تفاعل الجسيمات بعد التصادم الأولي جاء أقرب لوصف البيانات بالنسبة لأكثر التصادمات مركزية، لكن لا يوجد نموذج واحد نجح في إعادة إنتاج النتائج لجميع أنواع التصادمات. وهذا يشير إلى أن فهمنا الحالي للآليات التي تقود إنتاج الجسيمات في هذه الظروف القاسية لا يزال غير مكتمل.
تعتبر هذه النتائج بمثابة تحقق رئيسي من كفاءة كاشف "أليس" المطور وقدرات القراءة المستمرة الجديدة الخاصة به. إن القدرة على إعادة بناء مليارات الأحداث بدقة عالية تثبت أن الأجهزة والبرمجيات الجديدة يمكنها التعامل مع الظروف القاسية لدورة تشغيل مصادم الهادرونات الكبير الحالية. ومن خلال تقديم قياس دقيق لإنتاج الجسيمات عند أعلى طاقة تم تحقيقها حتى الآن، تضع هذه الدراسة نقطة مرجعية جديدة للتحقيقات المستقبلية. فهي تؤكد أن الاتجاهات الأساسية الملحوظة في بلازما الكوارك-غلوون تظل قوية، حتى مع زيادة طاقة الاصطدامات، وتسلط الضوء على الحاجة إلى أدوات نظرية أكثر تطوراً لتفسير الديناميكيات المعقدة لهذه الانفجارات دون الذرية بشكل كامل.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.