Multiplicity dependence of two-particle angular correlations of identified particles in pp collisions at $\mathbf{\sqrt{s} = 13}$ TeV

في قلب الكون، حيث تُجرد المادة إلى لبنات بنائها الأساسية الأكثر جوهرية، يدرس العلماء كيفية ولادة الجسيمات وكيفية سلوكها عندما تصطدم ببعضها البعض. فعندما يصطدم بروتونان بسرعة تقارب سرعة الضوء، فإنهما لا يرتدان ببساطة؛ بل يتفتتان إلى وابل من الجسيمات الجديدة. هذه الجسيمات، التي تشمل البيونات والكاونات والبروتونات، تنطلق في جميع الاتجاهات. ومن خلال قياس الزوايا التي تخرج بها هذه الجسيمات بالنسبة لبعضها البعض، يستطيع الفيزيائيون إعادة بناء القوى والقواعد غير المرئية التي حكمت عملية تكوينها. الأمر يشبه إلى حد ما مراقبة الحطام الناتج عن مزهرية محطمة لفهم كيفية تركيب تلك المزهرية، ولكن على مقياس صغير للغاية بحيث تملي قوانين ميكانيكا الكم وحفظ الكميات الأساسية مثل الطاقة والشحنة الكهربائية النتيجة. ولعقود من الزمن، استخدم الباحثون هذه الاصطدامات لاختبار نظرياتهم حول كيفية عمل الكون، ومع ذلك، ظل نمط محدد يتعلق بجسيمات ثقيلة تسمى الباريونات صعب التفسير بعناد.

لقد أخذت دراسة جديدة أجراها تعاون "أليس" (ALICE) في مصادم الهادرونات الكبير التابع لـ CERN نظرة جديدة على هذه الاصطدماات الجسيمية، مع التركيز هذه المرة على كيفية تغيير عدد الجسيمات المنتجة في تصادم واحد لطريقة ارتباطها ببعضها البعض. حلل الباحثون بيانات من اصطدامات بروتون-بروتون عند طاقة تبلغ 13 تيرا إلكترون فولت، وهو مستوى قوة قياسي يسمح لهم بسبر أغوار عالم ما دون الذرة بتفاصيل غير مسبوقة. لقد فحصوا مليارات الاصطدامات، وصنفوها إلى مجموعات بناءً على عدد الجسيمات المشحونة المنتجة في كل حدث، بدءاً من الاصطدامات الهادئة جداً ذات الجسيمات القليلة وصولاً إلى الاصطدامات المزدحمة للغاية ذات الجسيمات الكثيرة. ولكل مجموعة، قاموا بقياس المسافة الزاوية بين أزواج من الجسيمات، وبالتحديد بحثوا في مدى تكرار ظهور جسيمات من النوع نفسه، مثل بروتونين، بالقرب من بعضهما البعض مقابل ظهورهما بعيدين عن بعضهما.

يتعلق الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة بالأزواج المكونة من البروتونات والجسيمات الثقيلة الأخرى المعروفة باسم الباريونات. ففي التجارب السابقة، لاحظ العلماء أنه عندما يتم إنتاج بروتونين في نفس الاصطدام، فإنهما يميلان إلى تجنب الظهور بالقرب من بعضهما البعض في اتجاه الاصطدام. وبدلاً من التكتل معاً، يظهران "ارتباطاً عكسياً" واضحاً، مما يعني أنهما أقل عرضة للوجود بالقرب من بعضهما البعض مما قد يوحي به الاحتمال العشوائي. وتؤكد هذه الورقة أن هذا التجنب المحير يحدث في جميع أنواع الاصطدامات، من الأكثر هدوءاً إلى الأكثر عنفاً. علاوة على ذلك، وجد الباحثون أن هذا التجنب يصبح أكثر وضوحاً عندما ينتج الاصطدام كثافة أعلى من الجسيمات. ويتحدى هذا السلوك النماذج الحاسوبية المستخدمة لمحاكاة هذه الأحداث، والتي تتوقع عموماً أن الجسيمات يجب أن تتكتل معاً أو لا تظهر مثل هذا التفضيل القوي للبقاء متباعدة.

لفهم سبب أهمية ذلك، يجب على المرء النظر في الأنواع المختلفة من الجسيمات المعنية. فقد فحصت الدراسة البيونات والكاونات والبروتونات، وهي المنتجات الرئيسية لهذه الاصطدامات عالية الطاقة. وعندما نظر الباحثون في أزواج البيونات أو الكاونات، تطابقت النتائج مع النظريات القائمة تماماً. فقد أظهرت هذه الجسيمات الأخف وزناً ميلاً للتجمع معاً في اتجاه الاصطدام، وهو سلوك مدفوع بخلق نفاثات صغيرة من الجسيمات والطبيعة الكمومية للجسيمات نفسها. ومع ذلك، حكت البروتونات قصة مختلفة؛ فبينما تصرفت الجسيمات الأخف كما هو متوقع، رفضت البروتونات باستمرار الجلوس بالقرب من بعضها البعض. وقد لوحظ هذا التجنب في "الجانب القريب" في كل فئة تعددية، مما يشير إلى أن الآلية التي تمنع البروتونات من الاقترب هي سمة أساسية لكيفية خلق المادة في هذه الاصطدامات، وليست مجرد صدفة لنوع معين من الأحداث.

كما قدم الباحثون طريقة جديدة لتحليل البيانات لتجريد تأثير رياضي بسيط يمكن أن يخفي الفيزياء الحقيقية. ففي الدراسات السابقة، جعلت الطريقة التي تم بها قياس الارتباطات يبدو أن التأثير أقوى في الاصطدامات ذات الجسيمات الأقل. ومن خلال تعديل منهجيتهم لإزالة عامل القياس هذا، كشف الفريق أن القوة الحقيقية لتجنب البروتونات تزدل بالفعل مع زيادة عدد الجسيمات في الاصطدام. ويعد هذا الاكتشاف أمراً بالغ الأهمية لأنه يشير إلى بيئة معقدة حيث يؤثر خلق بروتون واحد على خلق بروتون آخر قريب منه. وتشير البيانات إلى أن النماذج الحالية، التي تعتمد على نظريات راسخة حول كيفية تفتت خيوط الطاقة لتكوين الجسيمات، تفتقد إلى عنصر رئيسي؛ إذ تفشل هذه النماذج في إعادة إنتاج التجنب القوي الملاحظ في البيانات، مما يشير إلى أن فهمنا لكيفية تشكل الباريونات وتفاعلها غير مكتمل.

وعندما قارن الباحثون قياساتهم بتوقعات أربعة نماذج حاسوبية مختلفة، كانت النتائج مختلطة. فقد قامت النماذج بوصف جيد لسلوك البيونات والكاونات الأخف وزناً، حيث التقطت الأشكال العامة للارتباطات. ومع ذلك، لم يستطع أي من النماذج إعادة إنتاج نمط تجنب البروتونات المحدد الملاحظ في التجربة بدقة. فقد توقعت بعض النماذج أن تتكتل البروتونات معاً، بينما أظهرت أخرى عدم وجود نمط قوي على الإطلاق. وحتى النماذج الأكثر تطوراً، التي تحاول مراعاة التفاعلات المعقدة للجسيمات، لا تزال قاصرة عن مطابقة البيانات التجريبية. وتبرز هذه الفجوة بين المحاكاة والواقع وجود فجوة كبيرة في فهمنا النظري لإنتاج الجسيمات.

كما بحثت الدراسة في كيفية تغير هذه الارتباطات عندما تكون الجسيمات من أنواع متضادة، مثل بروتون وبروتون مضاد. وفي هذه الحالات، أظهرت الجسيمات سلوكاً مختلفاً، حيث ظهرت غالباً أقرب إلى بعضها البعض، وهو ما يتفق مع فكرة أنها تُنتج في أزواج للحفاظ على خصائص فيزيائية معينة. وهذا التباين يؤكد أكثر أن التجنب المشاهد في أزواج البروتون-بروتون هو ظاهرة فريدة خاصة بالباريونات المتطابقة. وأشار الباحثون إلى أن هذا السلوك يستمر حتى عندما تكون طاقة الاصطدام عالية بما يكفي لخلق بيئة كثيفة حيث تُنتج العديد من الجسيمات في وقت واحد. وهذا يشير إلى أن القواعد التي تحكم هذه التفاعلات قوية ولا تختفي حتى في أكثر الظروف فوضوية.

وفي نهاية المطاف، يعمل هذا العمل كدليل حيوي للمنظرين الذين يحاولون صقل نماذجهم للعالم دون الذري. توفر البيانات هدفاً واضحاً: أي نظرية ناجحة يجب أن تكون قادرة على تفسير سبب تجنب البروتونات لبعضها البعض في هذه الاصطدامات، ولماذا يزداد هذا التأثير قوة مع ازدياد ازدحام الاصطدام. وتشير النتائج إلى أن الطرق الحالية لمحاكاة خلق الجسيمات، والتي نجحت لعقود، تحتاج إلى تحديث لتشمل آليات جديدة تأخذ في الاعتبار تجنب الباريونات هذا. وسواء كان هذا يتضمن قواعد جديدة لكيفية تفتت خيوط الطاقة أو فهماً أعمق للتفاعلات الكمومية بين الكواركات، فإن الطريق نحو الأمام بات الآن مضاءً بهذه القياسات الدقيقة. لا تدعي الدراسة أنها حلت لغز إنتاج الباريونات، لكنها أثبتت بوضوح طبيعة المشكلة، ووفرت للمجتمع التجريبي الأدوات اللازمة لدفع حدود معرفتنا إلى الأمام.