پژوهشگران سرن با برخورد دادن هستههای سبک اتمی در شتابدهنده بزرگ هادرونی، رفتار مادهای فوقداغ و تقریباً بدون اصطکاک را بررسی کردند؛ مادهای که تصور میشود جهان در نخستین میکروثانیههای پس از مهبانگ سرشار از آن بوده است.
به گزارش سیناپرس، گروهی از فیزیکدانان در آزمایش ALICE سرن، برای نخستین بار جریان ماده را در برخورد هستههای اکسیژن-اکسیژن و نئون-نئون در شتابدهنده بزرگ هادرونی (LHC) اندازهگیری کردند. نتایج این پژوهش نشان میدهد حتی در برخورد هستههای بسیار کوچک نیز میتوان قطرههایی از مادهای فوقداغ ایجاد کرد که رفتار آن شباهت زیادی به ماده موجود در نخستین لحظات پیدایش جهان دارد.
در این آزمایش، هستههای اتمی با سرعتی نزدیک به سرعت نور به یکدیگر برخورد کردند. در کسری از ثانیه، اجزای سازنده ماده به مایعی بسیار داغ از کوارکها و گلوئونها تبدیل شدند؛ حالتی از ماده که «پلاسمای کوارک-گلوئون» نام دارد و دانشمندان معتقدند سراسر جهان را در نخستین میکروثانیههای پس از مهبانگ پر کرده بود.
بازآفرینی شرایط جهان نخستین
پیش از این، فیزیکدانان میدانستند برخورد هستههای سنگین، مانند سرب، میتواند این حالت ویژه از ماده را ایجاد کند. اما این پرسش همچنان باقی بود که آیا برخورد هستههای سبکتر نیز قادر به تولید چنین سیالی هست یا خیر.
اندازهگیریهای جدید، شواهد مهمی ارائه میدهد که نشان میدهد پاسخ این پرسش مثبت است. نتایج این پژوهش که در نشریه معتبر Physical Review Letters منتشر شده، نشان میدهد ماده تولیدشده در برخوردهای هستهای کوچک نیز میتواند به شکل جمعی و مانند یک سیال تقریباً بدون اصطکاک حرکت کند.
شکل هستهها در جریان ماده نقش دارد
یکی از مهمترین یافتههای این پژوهش، تأثیر شکل و ساختار هستههای اتمی بر نحوه جریان ماده پس از برخورد است.بر اساس مدلهای ساختار هستهای، اکسیژن-۱۶ دارای آرایشی تقریباً هرمی و متقارن است، در حالی که نئون-۲۰ ساختاری کشیدهتر و تغییرشکلیافتهتر دارد که پژوهشگران آن را به شکل تقریبی به «پین بولینگ» تشبیه میکنند.
هنگامی که دو هسته با یکدیگر برخورد میکنند، هندسه اولیه آنها در توده داغ ماده ایجادشده ثبت میشود. این ماده سپس منبسط و سرد شده و شکل اولیه برخورد بر جهت حرکت ذرات تأثیر میگذارد. دانشمندان با بررسی الگوی خروج ذرات میتوانند به کمک مدلهای رایانهای، اطلاعاتی درباره ساختار اولیه هستهها به دست آورند.
میلیاردها برخورد برای کشف یک سیگنال ظریف
برای انجام این بررسی، همکاری علمی ALICE دادههای حاصل از دورههای کوتاه برخورد یونهای سبک در شتابدهنده بزرگ هادرونی در ژوئیه ۲۰۲۵ را تحلیل کرد.
در این مطالعه، حدود سه میلیارد برخورد اکسیژن-اکسیژن و ۴۰۰ میلیون برخورد نئون-نئون که شرایط لازم برای تحلیل را داشتند، بررسی شد. حجم عظیم این دادهها به پژوهشگران امکان داد سیگنالهای بسیار ظریف مربوط به جریان ماده را با دقت اندازهگیری کنند.
پژوهشگران دو نوع جریان را مورد بررسی قرار دادند: «جریان بیضوی» که با شکل کلی ناحیه برخورد ارتباط دارد و «جریان مثلثی» که بیشتر تحت تأثیر نوسانات و ویژگیهای تصادفی در آرایش ذرات داخل هسته قرار میگیرد.
نئون سریعتر از اکسیژن جریان پیدا میکند
یکی از نتایج قابل توجه این تحقیق، مشاهده جریان بیضوی قویتر در برخوردهای نئون-نئون نسبت به برخوردهای اکسیژن-اکسیژن در برخوردهای مرکزی بود.دانشمندان این تفاوت را به تغییرشکل بیشتر هسته نئون نسبت میدهند. شکل کشیدهتر نئون باعث میشود هندسه اولیه توده داغ ایجادشده پس از برخورد، ویژگی بیضویتری پیدا کند و همین مسئله الگوی جریان ذرات را تغییر دهد.
از سوی دیگر، بررسی جریان مثلثی نیز نشان داد ساختار درونی هستهها، حتی در مقیاس بسیار کوچک، میتواند بر رفتار جمعی ماده تولیدشده در برخوردهای پرانرژی تأثیر بگذارد.
وقتی مدلها شکل واقعی هستهها را در نظر میگیرند
پژوهشگران سپس دادههای تجربی را با پیشبینیهای مدلهای رایانهای مقایسه کردند. مدلهایی که ساختار دقیق و واقعگرایانه هستهها را در محاسبات خود لحاظ کرده بودند، توانستند نتایج آزمایش را با دقت بالایی بازتولید کنند.این یافته نشان میدهد هندسه و ساختار هستههای اتمی نقشی اساسی در شکلگیری جریان ماده فوقداغ پس از برخورد دارند و برخوردهای پرانرژی میتوانند به ابزاری برای مطالعه ساختار درونی هستهها تبدیل شوند.
این پژوهش همچنین اطلاعات تازهای درباره اندازه مؤثر ناحیهای درون پروتونها و نوترونها که کوارکها و گلوئونها در آن توزیع شدهاند، در اختیار دانشمندان قرار داده است.
پنجرهای تازه به جهان آغازین
یافتههای جدید سرن نشان میدهد دانشمندان میتوانند با برخورد دادن هستههای سبک و بررسی نحوه حرکت ذرات حاصل از این برخوردها، نهتنها ساختار درونی هستههای اتمی، بلکه ویژگیهای مادهای مشابه ماده موجود در نخستین لحظات پیدایش جهان را نیز مطالعه کنند.
به این ترتیب، برخورد هستههای کوچک در انرژیهای بسیار بالا به یکی از ابزارهای جدید فیزیکدانان برای بازآفرینی و مطالعه شرایطی تبدیل شده است که تصور میشود جهان در نخستین میکروثانیههای پس از مهبانگ تجربه کرده است؛ زمانی که ماده هنوز به شکل اتمها و ذرات امروزی درنیامده و جهان از سیالی فوقداغ از بنیادیترین اجزای ماده تشکیل شده بود.
مترجم:نداجوادهراتی