Centrality dependence of strange particle production in Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_{\rm NN}} = 5.02$ TeV

لفهم الكون عند مستواه الأكثر جوهرية، يدرس الفيزيائيون ما يحدث عندما تُسحق المادة بقوة شديدة لدرجة أن المكونات الأساسية للذرات تذوب. في الظروف العادية، تتكون البروتونات والنيوترونات من جسيمات أصغر تسمى الكواركات، وهي ملتصقة ببعضها البعض بقوة شديدة تجعلها غير قادرة على الوجود بمفردها. ومع ذلك، إذا تم تركيز طاقة كافية في مساحة ضيقة، فإن هذا "الغراء" يذوب؛ فتتحرر الكواركات والجسيمات التي تحمل القوة بينها، والتي تسمى الغلوونات، لتشكل حالة جديدة من المادة تُعرف باسم بلازما الكوارك-غلوون. ويُعتقد أن هذه الحالة كانت موجودة لجزء من الثانية بعد الانفجار العظيم مباشرة. يعيد العلماء إنشاء هذه البيئة القصوى عن طريق صدم نوى ذرية ثقيلة ببعضها البعض بسرعة تقارب سرعة الضوء. ومن خلال مراقبة الجسيمات التي تنبثق من هذه الاصطدامات، يمكن للباحثين معرفة كيف تتصرف هذه "الحساء البدائية"، وكيف تبرد، وكيف تتجمع في النهاية لتشكل المادة التي تتكون منها عوالمنا اليوم.

أحد الأسئلة الرئيسية في هذا المجال هو كيفية نشوء الجسيمات "الغريبة" (strange particles) في هذه البلازما. في عالم الذرات المعتاد، تكون الجسيمات التي تحتوي على كواركات "غريبة" نادرة ويصعب إنتاجها. ولكن في البيئة الحارة والكثيفة لبلازما الكوارك-غلوون، تشير النظرية إلى أن الكواركات الغريبة يجب أن تُخلق بسهولة أكبر وبأعداد أكبر مما هي عليه في الاصطدامات العادية. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "تعزيز الغرابة" (strangeness enhancement)، هي علامة بحث عنها العلماء لإثبات تشكل هذه الحالة الخاصة من المادة. لسنوات، رأى الباحثون هذا التأثير في الاصطدامات الكبيرة بين النوى الثقيلة، لكن القصة أصبحت معقدة عندما بدأوا في دراسة الاصطدامات الأصغر، مثل تلك التي تحدث بين بروتون واحد ونواة ثقيلة. ومن المثير للدهشة أن الجسيمات الغريبة ظهرت في هذه الاصطدامات الأصغر أيضاً، بشرط أن يكون الاصطدام عنيفاً بما يكفي. وقد أثار هذا سؤالاً جديداً: هل يتم إنتاج هذه الجسيمات بناءً على حجم الأجسام المتصادمة، أم أنها مدفوعة ببساطة بعدد الجسيمات الناتجة عن الاصطدام، بغض النظر عن الحجم؟

للإجابة على ذلك، قام تعاون "أليس" (ALICE) في مصادم الهادونات الكبير في أوروبا بتحليل مجموعة هائلة من البيانات من اصطدامات الرصاص-رصاص. حدثت هذه الاصطدامات عند طاقة تبلغ 5.02 تريليون إلكترون فولت لكل زوج من النيوكليونات، وهو رقم قياسي مرتفع لهذا المصادم في دورته الرئيسية الثانية بين عامي 201ables 15 و2018. ركز الفريق على عائلة محددة من الجسيمات: تلك التي تحتوي على كواركات غريبة. لقد درسوا جسيمات غريبة مفردة مثل الكاون المتعادل (neutral kaon) واللامدا الباريون (lambda baryon)، بالإضافة إلى الجسيمات متعددة الغرابة مثل الكاسكيد (cascade) والأوميغا (omega)، والتي تحتوي على اثنين أو ثلاثة من الكواركات الغريبة على التوالي. ومن خلال استخدام مجموعة البيانات الكاملة لتلك الدورة، والتي شملت 280 مليون حدث اصطدام، تمكن الباحثون من قياس هذه الجسيمات بدقة غير مسبوقة عبر نطاق واسع من "مركزية" الاصطدام. تصف المركزية مدى كون الاصطدام مباشماً (وجهاً لوجه)؛ فالاصطدام المركزي هو اصطدام مباشر وجبهي، بينما الاصطدام الطرفي هو اصطدام عابر أو جانبي. وقد سمح هذا للفريق برؤية كيف يتغير إنتاج الجسيمات مع تغير عنف الاصطدام من الأكثر تطرفاً إلى الأكثر هدوءاً.

وجد الباحثون أن سلوك هذه الجسيمات الغريبة يتغير بشكل كبير اعتماداً على مدى مركزية الاصطدام. ففي الاصطدامات المركزية الأكثر عنفاً، تظهر الجسيمات بسرعات متوسطة أعلى وانتشار أوسع للزخم مقارنة بالاصطدامات الطرفية الأكثر هدوءاً. يشير هذا إلى أنه في أكثر الاصطدامات طاقة، تتمدد المادة الناتجة نحو الخارج بدفعة جماعية قوية، تماماً مثل سائل يتم عصره. وعندما نظروا إلى نسبة الباريونات الغريبة إلى الميزونات الغريبة، لاحظوا ذروة متميزة عند السرعات المتوسطة. كانت هذه الذروة أعلى بكثير ومزاحة نحو سرعات أعلى في الاصطدامات المركزية مقارنة بالطرفية. ويتماشى هذا النمط مع فكرة أن المادة الحارة والكثيفة تتصرف كسائل يدفع الباريونات الأثقل إلى سرعات أعلى بشكل أكثر فعالية من الميزونات الأخف.

ولعل الاكتشاف الأكثر أهمية هو كيفية ارتباط هذه النتائج بأنظمة الاصطدام الأصغر. قارن الفريق بيانات الرصاص-رصاص مع النتائج السابقة من اصطدامات البروتون-بروتون والبروتون-نواة. واكتشفوا أنه عند رسم إنتاج الجسيمات الغريبة مقابل العدد الإجمالي للجسيمات المشحونة الناتجة عن الحدث، وقعت البيانات من جميع أنواع الاصطدامات الثلاثة على منحنى واحد سلس. وسواء كان الاصطدام بين نواتين ثقيلتين، أو بروتون ونواة، أو بروتونين، فإن إنتاج الجسيمات الغريبة يعتمد بالكامل تقريباً على النشاط الإجمالي للحدث، وليس على حجم أو نوع الأجسام المتصادمة. هذا الاتصال السلس يشير إلى أن الآلية التي تدفع خلق هذه الجسيمات هي آلية عالمية. وهذا يعني أنه بمجرد الوصول إلى مستوى معين من النشاط، يتصرف النظام بشكل مشابه بغض النظر عما إذا كان ناتجاً عن اصطدام صغير أم كبير.

كما اختبرت الدراسة نموذجاً حاسوبياً محدداً يسمى "إيبوس 4" (EPOS 4)، والذي يحاول محاكاة الفيزياء المعقدة لهذه الاصطدامات. نجح النموذج في إعادة إنتاج الاتجاهات العامة الملاحظة في البيانات، بما في ذلك الطريقة التي تغيرت بها سرعات الجسيمات مع مركزية الاصطدام والنمط العام لإنتاج الجسيمات الغريبة. ومع ذلك، لم يتطابق النموذج تماماً مع البيانات في كل التفاصيل؛ فقد مال إلى التنبؤ بسرعات أقل قليلاً للجسيمات مما تم قياسه فعلياً، وبالغ في تقدير قوة ذروة الجسيمات الغريبة في الاصطدامات الأقل عنفاً. ورغم هذه التباينات الصغيرة، فإن حقيقة قدرة النموذج على التقاط الملامح العامة للبيانات توفر دعماً قوياً للفهم الحالي لكيفية تطور هذه الأنظمة.

في نهاية المطاف، يؤكد هذا العمل أن إنتاج الجسيمات الغريبة محكوم بكثافة الاصطدام وليس بهندسة الأجسام المتصادمة. إن تعزيز الجسيمات الغريبة، الذي كان يُعتقد سابقاً أنه علامة فريدة لبلازما الكوارك-غلوون في النوى الكبيرة، يبدو أنه ظاهرة أكثر عمومية تحدث كلما تم تركيز طاقة كافية لخلق كثافة عالية من الجسيمات. وتظهر النتائج أن الانتقال من أنظمة الاصطدام الصغيرة إلى الكبيرة هو انتقال سلس، دون وجود قفزات أو انكسارات مفاجئة في سلوك الجسيمات. يوفر هذا اختباراً قوياً للنماذج النظرية ويعمق فهم كيفية تصرف المادة تحت أكثر الظروف تطرفاً في الكون. وتشير النتائج إلى أن القواعد التي تحكم خلق هذه الجسيمات الغريبة متسقة عبر مقاييس مختلفة، مما يقدم صورة أوضح للقوى الأساسية الفاعلة في اللحظات الأولى من عمر الكون.