قام الفيزيائيون بتحطيم ذرات الذهب معًا لمحاكاة الانفجار الكبير، ووجدوا شيئًا غير متوقع على الإطلاق

قام الفيزيائيون بتحطيم نوى الذهب معًا بسرعة تقارب سرعة الضوء ووجدوا نمطًا غير متوقع في الجسيمات التي تناثرت من خلال هذه الاصطدامات. إذا تم تأكيد هذا النمط، فيمكن أن يساعد في الكشف عن كيفية تبريد الحساء الساخن من الكواركات والجلونات، الذي ملأ الكون في الميكروثانية القليلة الأولى بعد الانفجار الكبير، وتكثيفه في البروتونات والنيوترونات التي تشكل المادة العادية اليوم. في المتوسط، تختلف مدى قوة قذفها قليلًا من تصادم إلى آخر. وتوقع الفيزيائيون أن يتغير حجم هذه الاختلافات بسلاسة أثناء تعديل طاقة الاصطدام. وبدلا من ذلك، انخفضت الاختلافات، وتقلصت ثم نمت مرة أخرى. يمكن أن يكون هذا الانخفاض علامة على “نقطة حرجة” طال انتظارها، وهي مجموعة خاصة من الظروف التي تغير فيها المادة النووية الطريقة التي تتحول بها من شكل إلى آخر. والإشارة، التي تم اكتشافها من خلال تجربة STAR في مصادم الأيونات الثقيلة النسبية (RHIC) في مختبر بروكهافن الوطني في نيويورك، قوية بما يكفي لدرجة أنه من غير المرجح أن تكون مجرد حادث إحصائي. ومع ذلك، حذر الباحثون من أن الانخفاض هو تلميح محير، وليس دليلاً على التحول الذي طال انتظاره. وقد نشروا النتائج التي توصلوا إليها في 22 سبتمبر في مجلة Physical Review Letters. أحدث مقاطع الفيديو من Live Science كتاب قواعد للمادة القصوى تتكون البروتونات والنيوترونات من جسيمات أصغر تسمى الكواركات، والتي يتم ربطها معًا بواسطة “القوة الشديدة” التي تحملها جسيمات تسمى الغلوونات. عند تسخينها أو ضغطها بدرجة كافية، تذوب البروتونات والنيوترونات في حساء ساخن من الكواركات والجلونات الحرة المعروفة باسم بلازما كوارك-جلون. يُعتقد أن هذا الحساء البدائي من الجسيمات ملأ الكون في الميلي ثانية الأولى بعد الانفجار الكبير. ويريد الفيزيائيون تحديد كيفية حدوث هذا الحساء، عن طريق قياس ما يسمى بمعادلة حالة المادة النووية. قال روتيك مانيكاندان، المؤلف المشارك في الدراسة، وهو باحث فيزياء ما بعد الدكتوراه في جامعة ولاية أوهايو، لموقع Live Science عبر البريد الإلكتروني: “بالنسبة للماء، فهو يخبرك بكيفية ارتباط الضغط ودرجة الحرارة والكثافة، وبالتالي متى يتجمد أو يغلي أو يتوسع”. وأضاف مانيكاندان أنه بالنسبة للمادة النووية “فهو كتاب القواعد الأساسية للمادة في ظل الظروف الأكثر تطرفا في الطبيعة، مثل نوى النجوم النيوترونية”. قد تعجبك “النقطة الحرجة” هي معلم رئيسي في كتاب القواعد هذا. قال مانيكاندان: “بالنسبة للمياه، فهي النقطة التي يختفي فيها الحد بين السائل والبخار”، ولطالما اشتبه المنظرون في أن المادة النووية لها نقطة مماثلة. عند درجات الحرارة المرتفعة للغاية، تنصهر المادة بسلاسة وتدريجيًا إلى بلازما كوارك-غلوون، ولكن عند الكثافات الأعلى، قد يصبح التغيير مفاجئًا. وستشير النقطة الحرجة إلى المكان الذي يتحول فيه نوع من التحول إلى نوع آخر. بعض الحسابات الحديثة تضع هذه النقطة في متناول اصطدامات RHIC ذات الطاقة المنخفضة. قال مانيكاندان: “لكن كل هذا لا يزال مجرد تخمين، ولا يوجد شيء ملموس حتى الآن، سواء من التجريبيين أو المنظرين”. قال مانيكاندان: “لأن المادة التي نخلقها في هذه الاصطدامات تشبه المادة التي ملأت الكون بعد بضعة ميكروثانية من الانفجار الكبير، فإن رسم خريطة لكيفية تصرفها يساعدنا على فهم كيفية تطور الكون من حساء ساخن من الكواركات والغلوونات إلى البروتونات والنيوترونات التي تشكل كل شيء اليوم”. الجزء المركزي لكاشف STAR المكون من ثلاثة طوابق في مصادم الأيونات الثقيلة النسبي (RHIC). استخدم العلماء مؤخرًا الكاشف لدراسة ظروف الكون المبكر، بعد ميلي ثانية فقط من الانفجار الكبير. (حقوق الصورة: مختبر بروكهافن الوطني) كان من المتوقع أن يكون هناك اتجاه سلس لاستكشاف هذه المنطقة، أجرى الباحثون RHIC في مجموعة من طاقات الاصطدام. كلما انخفضت الطاقة، زاد ضغط المادة المتصادمة. وقال مانيكاندان إنه من أجل تشغيله بأقل طاقة، استخدم STAR إعداد “هدف ثابت”، حيث تضرب شعاع من نوى الذهب “رقاقة ذهبية رقيقة موضوعة داخل الكاشف”، بدلاً من شعاع ثانٍ قادم. وهذا ينتج المادة الأكثر كثافة التي يمكن أن يصنعها RHIC. يتم قياس طاقات التصادم بالإلكترون فولت (الطاقة التي يكتسبها الإلكترون عند تسريعه عبر 1 فولت). وهذه كمية ضئيلة، لذلك يعمل فيزيائيو الجسيمات عادة بمليارات الإلكترون فولت، أو جيجا إلكترون فولت (GeV). واحد GeV هو تقريبًا الطاقة المحبوسة في كتلة بروتون واحد، وفقًا لمعادلة أينشتاين الشهيرة E = mc2. قام الفريق بتحليل ما يقرب من مليار تصادم عند طاقات تتراوح بين 3 و7.7 جيجا إلكترون فولت لكل زوج من البروتونات أو النيوترونات المتصادمة. وهذا هو الجزء السفلي من نطاق RHIC ، والذي يصل إلى 200 GeV. ما يجب قراءته بعد ذلك: في كل تصادم، قام الفريق بقياس مدى قذف الجسيمات المشحونة بشكل جانبي خارج الكرة النارية، وهي كمية تُعرف بالزخم العرضي. ثم بحث الباحثون عن الارتباطات بين الجزيئات. يقيس الارتباط ما إذا كان شيئان يميلان إلى التغيير معًا. هنا، قام الفريق بفحص ما إذا كانت أزواج الجسيمات من نفس الاصطدام تميل إلى الاندفاع بقوة أكبر من المتوسط، أو كلاهما بلطف أكثر. وهذا يكشف شيئًا عن الكرة النارية ككل. إذا كانت الكرة النارية أكثر سخونة قليلاً، أو توسعت بقوة أكبر، فإن جميع جزيئاتها تحصل على ركلة جانبية إضافية معًا. وقال مانيكاندان: “تعكس هذه الارتباطات مقدار تقلب درجة الحرارة وتدفق الكرة النارية”. وبالقرب من النقطة الحرجة، من المتوقع أن ترتفع السعة الحرارية للمادة – كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارتها – بشكل كبير. وهذا يجعل من الصعب تغيير درجة حرارة كرة النار، وبالتالي فإن الارتباطات يجب أن تضعف. وقال مانيكاندان: “إذا اقتربت المادة من نقطة حرجة أو تغير في الطور، فإننا نتوقع أن نرى تلك الارتباطات تتغير بطريقة غير عادية وغير سلسة مع تغيير طاقة الاصطدام”. وهذا ما شاهده الفريق في معظم الاصطدامات المباشرة. وقال مانيكاندان: “بدلا من التغير بسلاسة مع الطاقة، تظهر الارتباطات تراجعا”. قارن الباحثون البيانات بالاتجاه السلس الذي ترتكز عليه قياسات STAR السابقة عند الطاقات الأعلى. ويبتعد الانخفاض عن هذا الاتجاه بأهمية إحصائية تبلغ 5 سيجما، وهو ما يطلبه الفيزيائيون القياسيون عادة قبل التعامل مع الإشارة على أنها حقيقية. وهذا يعني أنه إذا كان الاتجاه الحقيقي سلسًا، فإن التشتت العشوائي في البيانات سينتج مثل هذا الانخفاض الواضح مرة واحدة فقط في 3.5 مليون محاولة. وقال مانيكاندان: “الاتجاه السلس هو ما تتوقعه من مادة نووية عادية، لذلك يشير الانخفاض إلى أن شيئًا أكثر إثارة للاهتمام يحدث في تلك الظروف”. وعلى النقيض من ذلك، فإن محاكاة الكمبيوتر المستخدمة على نطاق واسع للاصطدامات، والتي لا تحتوي على نقطة حرجة، أعادت إنتاج الاتجاه العام ولكن ليس الانخفاض. أظهرت الاصطدامات خارج المركز فقط تلميحًا خافتًا لنفس الميزة، وهي أضعف من أن تعتبر دليلاً في حد ذاتها. لاحظ الباحثون أن التأثيرات غير المرتبطة بنقطة حرجة يمكنها أيضًا تشكيل هذه التقلبات، وما زال مقدار الانخفاض الذي يمكن تفسيره غير واضح. ومع ذلك، يشير مانيكاندان إلى مجموعة من الظروف التي يتغير فيها سلوك المادة النووية، ويعطي المنظرين قياسًا جديدًا ودقيقًا لاختبار حساباتهم عليها. وبعد ذلك، يخطط الفريق لاستخدام الارتباطات “لاستخراج الحرارة النوعية للمادة الساخنة”، كما قال مانيكاندان. سيقومون بعد ذلك بمقارنتها مع عمليات محاكاة الكمبيوتر العملاق التي تحسب سلوك الكواركات والجلونات من المبادئ الأولى. ويخطط الباحثون أيضًا لاختبار الانخفاض مقابل المزيد من النماذج النظرية ودمجه مع قياسات أخرى، مثل التقلبات في عدد البروتونات المنتجة في الاصطدامات. وقال مانيكاندان: “فقط عندما تتفق القياسات المختلفة يمكننا أن نقول بثقة ما إذا كانت هناك نقطة حرجة”. Aboona, BE, Adam, J., Adamczyk, L., Aggarwal, I., Aggarwal, MM, Ahammed, Z., Alshammri, AK, Aschenauer, EC, Aslam, S., Atchison, J., et al. (2026). عدم رتابة ارتباطات الزخم العرضي في تصادمات Au + Au عند RHIC. رسائل المراجعة البدنية، 137(13)، 132301. https://doi.org/10.1103/2xsn-rgx3