Evidence of nuclear geometry-driven anisotropic flow in OO and Ne$-$Ne collisions at $\mathbf{\sqrt{{\textit s}_{\rm\mathbf {NN}}}}$ = 5.36 TeV

في اللحظات الأولى للكون، مباشرة بعد الانفجار العظيم، كانت المادة موجودة في حالة تختلف عن أي شيء نراه اليوم. لقد كانت عبارة عن حساء ساخن للغاية ومضطرب من الجسيمات الأولية التي تسمى الكواركات والغلونات، والتي تتحد عادةً لتشكل البروتونات والنيوترونات. يطلق الفيزيائيون على هذه الحالة اسم "بلازما الكوارك والغلون". ولفهم كيفية سلوك هذا الحساء البدائي، يقوم العلماء بصدم نوى ذرية ثقيلة ببعضها البعض بسرعة تقارب سرعة الضوء، مما يعيد تهيئة هذه الظروف القاسية للحظة عابرة. وعند حدوث هذه الاصطدامات، تنطلق الجسيمات في أنماط محددة. فإذا تحركت الجسيمات معًا بطريقة منسقة، وتدفقت مثل السائل بدلاً من الارتداد عن بعضها البعض مثل كرات البلياردو، فإن ذلك يشير إلى تشكل قطرة صغيرة من هذه البلازما. يُعرف هذا التحرك المنسق باسم "التدفق"، وهو أحد أقوى الأدلة على أن المادة المتولدة في هذه الاصطدامات تسلك سلوك سائل مثالي تقريبًا.

لعقود من الزمن، ركز الباحثون على صدم أثقل الذرات المتاحة، مثل الرصاص أو الذهب، لإنشاء أكبر قطرات ممكنة من هذه البلازما. ومع ذلك، ظل هناك سؤال عالق: هل يمكن لهذا السائل أن يتشكل في اصطدامات أصغر بكثير، تشمل ذرات أخف؟ فإذا كانت القطرة صغيرة جدًا، فقد لا تملك الوقت أو المساحة الكافية لتطوير هذا السلوك الشبيه بالسوائل. وللإجابة على ذلك، توجه العلماء إلى ذرتين خفيفتين محددتين: الأكسجين والنيون. وبينما كلتاهما صغيرتان، إلا أن لهما أشكالاً داخلية مختلفة؛ فالذرات الأكسجين مرتبة في نمط هندسي محدد وصلب، بينما تشبه ذرات النيون في شكلها مسمار البولينج. ومن خلال صدم هذه الذرات مع نفسها، استطاع الباحثون اختبار ما إذا كان الشكل المحدد للذرات الأولية يترك بصمة على التدفق النهائي للجسيمات، مما يثبت أن المادة في هذه الأنظمة الصغيرة للغاية تسلك سلوكًا جماعيًا.

قام تعاون "أليس" (ALICE) في مصادم الهادرونات الكبير مؤخرًا بإجراء أول قياسات لهذه الظاهرة في اصطدامات نوى الأكسجين والنيون. وقد جمعوا بيانات من مليارات من اصطدامات الأكسجين-الأكسجين ومئات الملايين من اصطدامات النيون-النيون، وكل ذلك عند طاقة مركز الكتلة لكل زوج من النيوكلونات تبلغ 5.36 تريليون إلكترون فولت. ركز الفريق على قياس كيفية انتشار الجسيمات في اتجاهات مختلفة بعد التصادم. وقد بحثوا عن نمطين محددين: التدفق الإهليلجي، حيث تفضل الجسيمات التحرك في شكل بيضاوي، والتدفق المثلثي، حيث تتحرك في شكل نجمة ثلاثية الرؤوس. هذه الأنماط ليست عشوائية؛ بل هي مدفوعة بالشكل الأولي للنوى المتداخلة لحظة الاصطدام. فإذا كانت الذرات الأولية مشكلة مثل مسمار البولينج، فإن السائل الناتج يجب أن يتمدد بطريقة تعكس شكل ذلك المسمار.

أظهرت النتائج إشارة واضحة لهذا السلوك الجماعي. ففي كل من اصطدامات الأكسجين والنيون، أظهرت الجسيمات التدفق الإهليلجي والمثلثي المتوقع. والأهم من ذلك، أن قوة هذا التدفق تغيرت اعتمادًا على مدى مركزية الاصطدام، أي مدى مباشرة اصطدام النواتين ببعضهما البعض. ففي الاصطدامات المركزية الأكثر مباشرة، أنتجت اصطدامات النيون-النيون تدفقًا إهليلجيًا أقوى من اصطدامات الأكسجين-الأكسجين. ويتماشى هذا الاختلاف تمامًا مع الأشكال المعروفة للذرتين؛ نظرًا لأن النيون يمتلك شكلًا مستطيلًا أكثر وضوحًا مقارنة بالأكسجين الأكثر اندماجًا، فإن السائل المتكون في اصطدامات النيون يتمدد بقوة أكبر في ذلك الاتجاه. ويؤكد هذا الملاحظة أن الهندسة الأولية للنوى المتصادمة هي التي تقود التدفق، حتى في هذه الأنظمة الصغيرة جدًا.

وللتحقق من هذه النتائج، قارن الباحثون قياساتهم بمحاكاة حاسوبية متطورة تضمنت نماذج مفصلة للبنية الداخلية لذرات الأكسجين والنيون. وهذه النماذج، المستمدة من نظريات الفيزياء النووية المتقدمة، توقعت أن ذرات الأكسجين لها ترتيب رباعي الأوجه لأجزائها الداخلية، بينما تشكل ذرات النيون بنية تشبه مسمار البولينج. وقد طابقت المحاكاة، التي عاملت الاصطدام كتوسع هيدروديناميكي لسائل، البيانات التجريبية بشكل لافت للنظر. وكانت درجة التطابق دقيقة للغاية لدرجة أنها تجاوزت دقة الدراسات السابقة على النوى الأثقل. ويشير هذا التطابق إلى أن المادة المتولدة في اصطدامات الأيونات الخفيفة هذه تسلك بالفعل سلوك سائل محكوم بقوانين الهيدروديناميكا، وتستجيب مباشرة للأشكال الهندسية للذرات المتصادمة.

كما كشفت الدراسة أن التدفق المثلثي، الذي ينشأ من التقلبات العشوائية في كيفية ترتيب الجسيمات داخل النوى، تصرف بشكل مختلف عن التدفق الإهليلجي. ففي الاصطدامات المركزية، كان التدفق المثلثي في النيون أضعف منه في الأكسجين، وهي نتيجة التقطتها المحاكاة أيضًا. يسلط هذا الاختلاف الضوء على البنية الداخلية الفريدة لذرة الأكسجين، والتي تخلق تشوهًا مثلثيًا أكبر في منطقة الاصطدام الأولية. ومن خلال مقارنة النظامين مباشرة، تمكن الباحثون من إلغاء العديد من العوامل المربكة التي تعقد هذه القياسات عادةً، مما سمح بعزل تأثير الشكل النووي نفسه.

تقدم هذه النتائج أدلة قوية على أن بلازما الكوارك والغلون يمكن أن تتشكل في أنظمة أصغر بكثير مما كان يعتقد سابقًا، بشرط أن تكون طاقة الاصطدام عالية بما يكفي. إن حقيقة أن أنماط التدفق حساسة للغاية للأشكال المحددة للأكسجين والنيون تشير إلى أن هذه الاصطدامات توفر طريقة جديدة وقوية لدراسة بنية النوى الذرية. فبدلاً من مجرد النظر في كيفية سلوك النوى عند طاقات منخفضة، يمكن للعلماء الآن استخدام الاصطدامات عالية الطاقة لـ "تصوير" ترتيب الجسيمات داخلها. وتؤكد البيانات أن الهندسة الأولية للنوى هي المحرك الأساسي للتدفق، وأن المادة الناتلة تتمدد كسائل مثالي تقريبًا. يجسد هذا العمل الفجوة بين دراسة الأيونات الثقيلة والأنظمة الأصغر، موضحًا أن ظهور السلوك السائلي الجماعي هو سمة قوية في الكروموديناميكا الكمية، وهي النظرية التي تصف القوة النووية القوية التي تربط المادة معًا.