STAR Highlights II: Study of Small Systems and the Search for New, Exotic Physics

على مدار ربع قرن، دأب العلماء على صدم الأنوية الذرية الثقيلة ببعضها البعض بسرعة تقترب من سرعة الضوء لإعادة تهيئة الظروف التي سادت بعد مليون من المليون من الثانية من الانفجار العظيم. هذه البيئة القاسية، التي تُخلق داخل معجل جسيمات ضخم يُعرف باسم "مُعجل الأيونات النسبوي" (Relativistic Heavy Ion Collider)، حارة وكثيفة بما يكفي لصهر البروتونات والنيوترونات التي تشكل المادة العادية. وعندما تنصهر هذه الجسيمات، فإنها تشكل حالة جديدة من المادة تُسمى "بلازما الكوارك-غلوون"، وهي عبارة عن "حساء" من الجسيمات الأساسية يتدفق دون احتكاك يُذكر. ومن خلال دراسة كيفية سلوك هذه البلازما، يأمل الباحثون في فهم القوى الأساسية التي تمسك الكون معاً. وكان أحد الأسئلة الرئيسية لعلماء الفيزياء هو تحديد مدى صغر حجم التصادم قبل أن تتوقف هذه الحالة الغريبة من المادة الشبيهة بالسوائل عن التكون. فهل تتطلب البلازما تصادماً هائلاً بين ذرتي ذهب ثقيلتين، أم يمكن أن تظهر من التصادم الأصغر بكثير لبروتون واحد مع نواة ثقيلة؟

يقدم تقرير حديث من تعاون "ستار" (STAR)، وهو فريق بحثي يعمل في كاشف ضخم داخل المعجل، نظرة شاملة على خمسة وعشرين عاماً من البيانات للإجابة على هذه الأسمايل واستكشاف أسرار أخرى في عالم ما دون الذرة. حلل الفريق التصادمات التي تتضمن عشرات التشكيلات المختلفة من الأنواع الذرية، بدءاً من البروتونات الصغيرة وصولاً إلى ذرات اليورانيوم الثقيلة، وعبر نطاق واسع من مستويات الطاقة. ويؤكد عملهم أن سمة هذه البلازما الحارة والسائلة تظهر حتى في أنظمة التصادم الصغيرة جداً، بشرط توفر الظروف المناسبة. كما اكتشفوا طرقاً جديدة لقياس البنية الداخلية للأنوية الذرية ووجدوا أدلة على وجود جسيمات غريبة توجد للحظة عابرة فقط قبل أن تتحلل.

يتعلق أحد أهم الاكتشافات بحجم النظام المطلوب لخلق هذه البلازما. فلطالما تناقش العلماء حول ما إذا كان السلوك الشبيه بالسوائل المشاهد في التصادمات الكبيرة هو طور حقيقي للمادة أم مجرد مجموعة من تفاعلات الجسيمات المستقلة. وقد حقق فريق "ستار" في ذلك عبر صدم نوى الأكسجين مع نوى أكسجين أخرى، وهو نظام أصغر بكثير من تصادمات الذهب مع الذهب المستخدمة في الماضي. لقد بحثوا عن عدة علامات مميزة تشير إلى تكون بلازما؛ حيث لاحظوا أن الجسيمات عالية الطاقة تتباطأ أثناء مرورها عبر الوسط، وهي ظاهرة تُعرف باسم "إخماد النفاثات" (jet quenching). كما رأوا أن إنتاج جسيمات ثقيلة معينة قد انخفض، مما يشير إلى أنها تتفكك بفعل الحرارة الشديدة. علاوة على على ذلك، أشارت الإشعاعات المنبعثة من التصادم إلى درجة حرارة تتوافق مع البلازما الحارة، كما زاد إنتاج الجسيمات الغريبة بطريقة تطابق التوقعات لوسط سائل. وعندما قارنوا تصادمات الأكسجين هذه بتصادمات تتضمن الديوتيريوم، وهو نظير خفيف للهيدروجين، وجدوا أن السلوك السائل يعتمد على شكل وبنية الأنوية المتصادمة، مما يؤكد أن الإشارة تأتي من استجابة جماعية للمادة وليس من محض صدفة عشوائية.

وبعيداً عن البلازما نفسها، استخدم الباحثون هذه التصادمات لدراسة الوجود العابر للأنوية الذرية غير المستقرة. ففي التصادمات منخفضة الطاقة، نجحوا في قياس إنتاج نظائر الليثيوم التي تكون غير مستقرة لدرجة أنها تتحلل فوراً تقريباً. ومن خلال تتبع كيفية تفاعل هذه الجسيمات قصيرة العمر مع المادة الكثيفة المحيطة بها، تمكن الفريق من اختبار النظريات المتعلقة بكيفية بناء الأنوية الذرية من قطع أصغر. ووجدوا أن الجسيمات قصيرة العمر تُنتج بأعداد أقل من نظيراتها الأكثر استقراراً، وهي نتيجة تعكس مباشرة التنافس بين تكوين هذه الأنوية وتدميرها بواسطة البيئة المحيطة. وفي بحث منفصل عن المادة الغريبة، بحث الفريق عن "الذرات الميونية"، وهي هياكل نادرة حيث يدور ميون (وهو قريب ثقيل للإلكترون) حول هادرون. وقد وجدوا إشارة واضحة لهذه الذرات في حطام التصادم، مما يوفر طريقة جديدة لدراسة إنتاج الميونات "الناعمة" التي يستحيل اكتشافها مباشرة بطرق أخرى.

كما تعمق البحث في "لف" أو الدوران الجوهري للجسيمات، وهي خاصية تكشف أسراراً عميقة عن الفراغ الكمومي. فقد قاس الفريق محاذاة لف جسيمات "ميزون فاي" (phi mesons)، وهي نوع من الجسيمات المكونة من كوارك غريب وضديده. ومن خلال تحليل التوزيع ثنائي الأبعاد الكامل للجسيمات التي تتحلل إليها، رصدوا إشارة غير صفرية في العناصر غير القطرية لمصفوفة اللف، مما يشير إلى أن لف الكوارك وضديده مترابط بطريقة محددة. ولفهم أصل هذا الترابط، قارنوه بقياسات أزواج "لامدا-أنتي لامدا" في تصادمات البروتونات، حيث وجدوا ترابطاً قوياً يشير إلى أن الفراغ الكمومي يطبع بنيته على الجسيمات أثناء تكوينها. ويعمل الفريق الآن على معرفة ما إذا كان هذا الترابط يصمد في البلازما الحارة للتصادمات الأيونية الثقيلة، وهو ما سيخبرهم ما إذا كانت الحرارة الشديدة تذيب بنية الفراغ أم أنها تستمر في البقاء.

أخيراً، طور الباحثون طرقاً جديدة لقياس تدفق المادة الناتجة عن هذه التصادمات. فقد فحصوا كيف يتذبذب متوسط زخم الجسيمات من تصادم إلى آخر، مما يكشف كيف يتغير حجم "كرة النار" الأولية. وقد سمحت هذه القياسات بتقدير سرعة الصوت داخل بلازما الكوارك-غلوون، وهي قيمة تصف مدى صلابة أو قابلية الوسط للانضغاط. وتشير نتائجهم إلى أن سرعة الصوت تتغير مع درجة الحرارة بطريقة تطابق الحسابات النظرية من "ديناميكا الكروموديناميكا الشبكية". كما وجدوا أن طريقة تدفق الجسيمات تعتمد على كتلتها، حيث تكتسب الجسيمات الأثقل زخماً أكبر من السائل المتمدد، وهو نمط ظل ثابتاً عبر جميع أنظمة التصادم المختلفة التي درسوها. إن هذا الرسم التفصيلي لخصائص البلازما يقدم صورة أوضح لكيفية سلوك الكون في لحظاته الأولى، ويمهد الطريق لاكتشافات مستقبلية في العقود القادمة.