یافته‌های جدید از آزمایش STAR در برهم‌کننده یون سنگین نسبیتی (RHIC) نشان می‌دهد که دانشمندان می‌توانند شکلی فوق‌العاده از ماده را از نخستین لحظات جهان با استفاده از برخوردهای اتمی بسیار کوچک بازسازی کنند. پژوهشگران با کوبیدن هسته‌های اکسیژن به یکدیگر با سرعتی نزدیک به نور، شواهد قوی از وجود پلاسمای کوارک-گلوئون (QGP)، حالتی بسیار داغ و متراکم از ماده که مدت کوتاهی پس از مهبانگ وجود داشت، کشف کرده‌اند.
این یافته‌ها که در مجله Physical Review Letters منتشر شده‌اند، نشان می‌دهند که جریان‌های پرانرژی ذرات هنگام حرکت از طریق ماده ایجاد شده توسط این برخوردها، انرژی خود را از دست می‌دهند. این اثر که «خاموشی جت» نامیده می‌شود، سرنخ مهمی است که پلاسمای کوارک-گلوئون تشکیل شده است.
دانشمندان قبلاً خاموشی جت را در برخوردهایی که شامل هسته‌های اتمی بسیار بزرگ‌تر در RHIC بودند، مشاهده کرده بودند؛ RHIC یک تسهیلات کاربری دفتر علم وزارت انرژی آمریکا (DOE) است که از سال ۲۰۰۰ تا ۲۰۲۶ در آزمایشگاه ملی بروکهیون فعالیت می‌کرد. همین اثر همچنین در برخوردهای اکسیژن در برهم‌کننده هادرونی بزرگ (LHC) سازمان تحقیقات اروپایی برای فیزیک ذرات بنیادی (CERN) شناسایی شده است.
آنچه یافته‌های جدید RHIC را بسیار حائز اهمیت می‌سازد، این است که برخوردهای اکسیژن در انرژی‌های به طور قابل توجهی پایین‌تر رخ دادند. نتایج یک مرز پایین جدید برای شرایطی که می‌دانیم پلاسمای کوارک-گلوئون را در این سیستم برخورد کوچک تولید می‌کنند، ایجاد می‌کند و به دانشمندان کمک می‌کند تا دقیقاً چه چیزی برای ایجاد ماده‌ای شبیه به جهان نوزاد لازم است را محدود کنند.
«QGP معتقدند شکلی از ماده است که جهان اولیه را پر کرده بود -- قبل از اینکه پروتون‌ها و نوترون‌هایی که امروزه اتم‌ها را تشکیل می‌دهند، شکل بگیرند. درک خواص آن برای کشف نحوه تکامل جهان اولیه در میکروثانیه‌های اول ضروری است»، لی یی، استاد فیزیک دانشگاه شاندونگ که نظارت بر تحلیل STAR را بر عهده داشت، اظهار داشت.
«یکی از قدرتمندترین روش‌هایی که دانشمندان QGP را مطالعه می‌کنند، شناسایی مکان ظهور امضاهای آن است -- و به همان اندازه مهم، مکانی که این امضاها خاموش می‌شوند»، او گفت.
رونرونگ ما، فیزیکدان STAR در آزمایشگاه بروکهیون، توضیح داد چرا بررسی برخوردهای کوچک‌تر اینقدر ارزشمند است.
«این تحلیل مرزها را به یک مورد افراطی می‌رساند تا به ما کمک کند چیزی درباره این پدیده خاموشی جت و شرایط لازم برای تولید QGP بیاموزیم.»
چگونه دانشمندان ماده‌ای از جهان اولیه را بازسازی می‌کنند
RHIC به طور خاص برای تولید و بررسی پلاسمای کوارک-گلوئون طراحی شده است. به طور سنتی، پژوهشگران این کار را با شتاب دادن هسته‌های طلا به سرعت‌های سرسام‌آور و کوبیدن آن‌ها به یکدیگر انجام می‌دادند.
هر هسته طلا حاوی ۷۹ پروتون و ۱۱۸ نوترون است. وقتی دو چنین هسته‌ای با انرژی کافی به هم برخورد می‌کنند، مرزهای پروتون‌ها و نوترون‌های آن‌ها عملاً از بین می‌رود و کوارک‌ها و گلوئون‌های داخل آن‌ها آزاد می‌شوند. انرژی عظیم برخورد همچنین هزاران کوارک و گلوئون اضافی را از طریق تبدیل انرژی به ماده، طبق معادله معروف اینشتین، E=mc2، تولید می‌کند.
نتیجه، قطره‌ای زودگذر از ماده بدوی است. این قطره کوچک‌تر از یک هسته اتم است و کمتر از یک میلیاردمِ یک میلیاردم ثانیه دوام می‌آورد. تقریباً بلافاصله، کوارک‌ها و گلوئون‌ها دوباره ترکیب شده و ذرات آشناتری را تشکیل می‌دهند.
از آنجا که این ماده عجیب و غریب به سرعت ناپدید می‌شود، دانشمندان نمی‌توانند آن را مستقیماً بررسی کنند. در عوض، آن‌ها از ابزارهای عظیم مانند آشکارساز STAR برای تجزیه و تحلیل ذراتی که از برخورد خارج می‌شوند، استفاده می‌کنند.
یکی از سرنخ‌های به ویژه آشکار از ذراتی است که با انرژی کمتری از آنچه انتظار می‌رفت، فرار می‌کنند. کاهش انرژی آن‌ها نشان می‌دهد که آن‌ها قبل از فرار با مخلوط متراکم کوارک‌ها و گلوئون‌ها تعامل داشته‌اند.
پژوهشگران توجه ویژه‌ای به جت‌ها دارند، که اسپری‌های باریکی از ذرات بسیار پرانرژی هستند. این جت‌ها اغلب زمانی منشأ می‌گیرند که یک کوارک یا گلوئون از یک هسته به کوارک یا گلوئونی از هسته دیگر برخورد می‌کند و دو جت ذره‌ای را به سمت مخالفان می‌فرستد.
اگر این جت‌های جفتی، که به عنوان «دی-جت» (di-jets) شناخته می‌شوند، نزدیک به لبه منطقه برخورد تشکیل شوند، ممکن است یکی از آن‌ها مسافت بیشتری را نسبت به دیگری از طریق پلاسما طی کند. مقایسه رفتار آن‌ها به دانشمندان اجازه می‌دهد تا بررسی کنند چگونه ماده اطراف، انرژی ذرات عبوری را تخلیه می‌کند.
یی برای توضیح این فرآیند، تشبیهی آشنا ارائه داد.
«می‌توانید تصور کنید که گلوله‌ای را مثلاً از میان آب شلیک می‌کنید»، یی گفت. «به دلیل مقاومت، گلوله کند خواهد شد. همین اتفاق برای این ذرات پرانرژی نیز می‌افتد. وقتی آن‌ها از میان QGP عبور می‌کنند، انرژی از دست می‌دهند.»
نشانه‌های گویای پلاسمای کوارک-گلوئون
برای دهه‌ها، آزمایش‌های RHIC شواهد واضحی از خاموشی جت در برخوردهای بین هسته‌های طلا ارائه داده‌اند. این اثر به ویژه در جت‌هایی که مسافت طولانی‌تری را از طریق ماده تازه ایجاد شده طی می‌کنند، مشهود است.
دانشمندان معتقدند این ذرات انرژی بیشتری از دست می‌دهند زیرا قبل از فرار با کوارک‌ها و گلوئون‌های بیشتری مواجه می‌شوند. جت‌هایی که از نزدیکی مرز خارجی منشأ می‌گیرند، معمولاً از ماده کمتری عبور می‌کنند و تعاملات کمتری را تجربه می‌کنند.
این اندازه‌گیری‌ها به اثبات این موضوع کمک کردند که RHIC موفق به تولید پلاسمای کوارک-گلوئون بوده است. شواهد اضافی از چندین آزمایش دیگر، از جمله یک کشف غیرمنتظره درباره نحوه رفتار ماده حاصله، به دست آمد.
دانشمندان مشاهده کردند که ذرات با انرژی نسبتاً کم که از برخوردهای طلا خارج می‌شوند، به صورت جمعی حرکت می‌کنند و الگوهای هماهنگی را دنبال می‌کنند. این رفتار نشان می‌داد که پلاسما تقریباً مانند یک مایع کامل جریان می‌یابد، با ویسکوزیته یا مقاومت داخلی بسیار ناچیز.
این کشف زمانی که پژوهشگران برای اولین بار آن را شناسایی کردند، تعجب بزرگی بود. جریان جمعی از آن زمان به یکی دیگر از امضاهای مهم «دود سیاه» (smoking gun) پلاسمای کوارک-گلوئون تبدیل شده است.
آیا برخوردهای اتمی ریز می‌توانند ماده بدوی ایجاد کنند؟
پس از تثبیت این امضاها در برخوردهای شامل هسته‌های بزرگ، فیزیکدانان شروع به یافتن حرکت جمعی مشابه در سیستم‌های بسیار کوچک‌تر کردند.
آزمایش‌ها در LHC، و سپس مطالعات در RHIC، جریان جمعی را زمانی که پرتابه‌های ریزی مانند پروتون‌ها، دوترون‌ها و هسته‌های هلیم-۳ به هسته‌های بزرگ‌تر طلا یا سرب برخورد می‌کردند، شناسایی کردند. پژوهشگران در LHC حتی الگوهای جریان قابل مقایسه را در برخوردهای بین پروتون‌های منفرد مشاهده کردند.
این نتایج پرسش بزرگی را مطرح کرد. آیا حرکت هماهنگ ذرات به این معنا بود که این برخوردهای بسیار کوچک‌تر نیز پلاسمای کوارک-گلوئون تولید می‌کردند، یا مکانیزم دیگری می‌توانست مشاهدات را توضیح دهد؟
دانشمندان به نشانه‌ای قطعی‌تر نیاز داشتند.
«پرسش طبیعی بعدی این است: آیا می‌توانید خاموشی جت، نشانه کلیدی دیگر تشکیل QGP را در این سیستم‌های برخورد بسیار کوچک ببینید؟» ما از بروکهیون پرسید. «ما هیچ سیگنال مبهمی ندیده‌ایم، بنابراین هنوز نوعی بحث در مورد این سیستم‌های کوچک وجود دارد. ما می‌خواهیم کوچک‌ترین سیستمی را که همچنان می‌توانیم سیگنال خاموشی جت مبهمی را در آن ببینیم، جستجو کنیم»، او گفت.
برای بررسی، پژوهشگران به سراغ برخوردهای بین هسته‌های اکسیژن رفتند.
یک هسته اکسیژن تنها ۸ پروتون و ۸ نوترون دارد و آن را بسیار کوچک‌تر از هسته‌های طلا که معمولاً در آزمایش‌های RHIC استفاده می‌شوند، می‌کند. هسته‌های اکسیژن همچنین شکلی نسبتاً متقارن و کروی دارند که هندسه برخوردهای آن‌ها را برای تحلیل آسان‌تر می‌کند.
«این بدان معناست که ما می‌توانیم به راحتی علائم خاموشی نامتقارن دی-جت‌های تولید شده نزدیک به لبه منطقه تعامل دایره‌ای در برخوردهای رو در رو را جستجو کنیم»، ماووو نی، استاد انجمنی دانشگاه شاندونگ که در این پژوهش مشارکت داشت، گفت.
دانشمندان همچنین می‌توانستند بررسی کنند که نتیجه چگونه بسته به اینکه هسته‌های اکسیژن مستقیماً برخورد می‌کنند یا فقط یکدیگر را لمس می‌کنند، تغییر می‌کند.
«ما همچنین می‌توانیم رفتار جت‌ها را در برخوردهای مرکزی رو در رو -- که بیشترین ذرات را تولید می‌کنند و بنابراین بیشترین احتمال ساخت QGP را دارند -- با برخوردهایی که دو هسته اکسیژن به سختی به هم برخورد می‌کنند، مقایسه کنیم، که انتظار نمی‌رود QGP تولید کنند.»
نی توضیح داد که این برخوردهای تماسی (grazing) قابل تشخیص هستند زیرا ذرات بسیار کمتری نسبت به برخوردهای مستقیم تولید می‌کنند.
برخوردهای اکسیژن کاهش ۲۰ درصدی را آشکار می‌کند
برای جستجوی خاموشی جت، پژوهشگران تحلیلی توسعه دادند که جریان‌های متمرکز ذرات پرانرژی را شناسایی کرده و تعداد خروجی آن‌ها را بالای یک آستانه انرژی انتخابی اندازه‌گیری می‌کند.
«اندازه‌گیری‌های ما اساساً شمارش تجربی هستند»، سیجی جانگ گفت، که این پژوهش را برای پایان‌نامه کارشناسی ارشد خود تحت نظر یی و نی در دانشگاه شاندونگ انجام داد و اکنون در حال تحصیل در مقطع دکتری در دانشگاه ییل است.
«ما الگوریتمی داریم که گروه‌های همسو ذرات پرانرژی، یعنی جت‌ها را پیدا می‌کند، و ما تعداد این ذرات بالای یک آستانه انرژی معین را می‌شماریم.»
یانگ هه، دانشجوی سابق دکتری در دانشگاه شاندونگ که چارچوب تحلیلی را توسعه داد و اکنون برخوردهای اکسیژن را در LHC مطالعه می‌کند، توضیح داد که تیم چگونه از انواع مختلف برخورد برای شناسایی اتلاف انرژی استفاده کرد.
«ما آنچه را در جت‌های پشت‌سرهم تولید شده نزدیک به لبه سیستم می‌بینیم مقایسه می‌کنیم، و آنچه را در برخوردهای رو در رو می‌بینیم با شمارش‌ها در برخوردهای غیرمرکزی که انتظار نداریم خاموشی را ببینیم، مقایسه می‌کنیم.»
تیم اندازه‌گیری‌های STAR از برخوردهای اکسیژن انجام شده در RHIC در سال ۲۰۲۱ را در انرژی برخورد ۲۰۰ میلیارد الکترون ولت (GeV) تحلیل کرد.
نتایج کاهش ۲۰ درصدی ذرات پرانرژی مرتبط با خاموشی جت را آشکار کرد.
اگرچه این کاهش کمتر از آنچه فیزیکدانان معمولاً در برخوردهای طلا اندازه‌گیری می‌کنند بود، اما این تفاوت انتظار می‌رفت زیرا برخوردهای اکسیژن سیستم‌های بسیار کوچک‌تری تولید می‌کنند.
مهم‌تر از همه، اثر مشاهده شده همچنان به اندازه کافی قوی بود تا شواهد روشنی ارائه دهد که پلاسمای کوارک-گلوئون تشکیل شده است.
مقایسه ماده مهبانگ در انرژی‌های مختلف
اکسیژن مزیت مهم دیگری را برای دانشمندان فراهم می‌کند. جدا از برخوردهای پروتون-پروتون، این تنها گونه هسته‌ای است که در برخوردها در هر دو RHIC و LHC مورد بررسی قرار گرفته است.
این به پژوهشگران فرصتی غیرمعمول می‌دهد تا مقایسه‌ای «سیب به سیب» (apples-to-apples) بین دو تسهیلات عملیات در انرژی‌های برخورد بسیار متفاوت انجام دهند.
LHC اولین برخوردهای اکسیژن خود را در سال ۲۰۲۵ انجام داد. طبق نتایج گزارش شده توسط CERN، آن آزمایش‌ها هم جریان جمعی و هم خاموشی جت را آشکار کردند و نشانگان اضافی ارائه دادند که پلاسمای کوارک-گلوئون می‌تواند در برخوردهای هسته‌ای نسبتاً کوچک تشکیل شود.
با این حال، LHC در انرژی‌های برخوردی بیش از ۵۰۰۰ GeV عملیات می‌کرد، که بسیار بالاتر از ۲۰۰ GeV استفاده شده در اندازه‌گیری‌های RHIC است.
«با برخورد با انرژی بالاتر، احتمال ایجاد کوارک‌ها و گلوئون‌های بیشتر و سیستم QGP داغ‌تر و متراکم‌تر بیشتر است»، یی گفت. «این بدان معناست که سیگنال خاموشی جت، اگر وجود داشته باشد، باید در LHC بزرگ‌تر از RHIC باشد.»
در حالی که انرژی‌های بالاتر ایجاد شرایط داغ و متراکم لازم برای پلاسمای کوارک-گلوئون را آسان‌تر می‌کند، آزمایش‌های با انرژی پایین‌تر ممکن است برای تعیین دقیق زمانی که آن شرایط دیگر کافی نیستند، مفیدتر باشند.
با کاهش انرژی برخورد و استفاده از هسته‌های کوچک‌تر، فیزیکدانان می‌توانند به آستانه‌ای نزدیک شوند که در آن امضاهای متمایز ماده بدوی ناپدید می‌شوند.
«ما مرزها را به دو روش پیش می‌بریم تا حداقل شرایط برای ایجاد QGP را کاوش کنیم، هم از نظر اندازه هسته با نگاه به این برخوردهای کوچک اکسیژن-اکسیژن، و هم با نگاه به داده‌های از انرژی‌های برخورد پایین‌تر -- و ما همچنان این امضای حیاتی QGP را می‌بینیم. این ویژگی منحصربه‌فرد اندازه‌گیری ماست»، ما گفت.
آزمایش‌های جدید می‌توانند مرزهای ماده بدوی را آشکار کنند
اگرچه RHIC اکنون عملیات خود را به پایان رسانده است، دانشمندان همچنان داده‌های برخورد اکسیژن اضافی برای بررسی دارند.
در طول آخرین دور آزمایشی برهم‌کننده، پژوهشگران اندازه‌گیری‌هایی را با استفاده از هر دو STAR و sPHENIX، جدیدترین آشکارساز RHIC، جمع‌آوری کردند. این تسهیلات عملیات خود را با برخوردهای اکسیژن ثبت شده توسط هر دو دستگاه در ۶ فوریه ۲۰۲۶ به پایان رساند.
این مجموعه داده‌های باقی‌مانده می‌تواند بینش‌های بیشتری درباره اینکه یک سیستم برخورد چقدر می‌تواند کوچک شود و انرژی آن چقدر می‌تواند کاهش یابد، قبل از اینکه پلاسمای کوارک-گلوئون دیگر نتواند تشکیل شود، ارائه دهد.
درک آن مرزها ممکن است به فیزیکدانان کمک کند تا رفتار ماده را در میکروثانیه‌های اول جهان، زمانی که کوارک‌ها و گلوئون‌ها هنوز به پروتون‌ها و نوترون‌هایی که اتم‌های معمولی امروز را تشکیل می‌دهند، ترکیب نشده بودند، کنار هم بچینند.
این پژوهش حمایت مالی از دفتر علم DOE، بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF) و آژانس‌ها و سازمان‌های بین‌المللی اضافی شناسایی شده در انتشار علمی دریافت کرد.
پژوهشگران همچنین از شبکه علم باز (Open Science Grid) استفاده کردند که حمایت مستقیم NSF را دریافت می‌کند، همراه با منابع محاسباتی در تسهیلات داده و محاسبات علمی آزمایشگاه بروکهیون و مرکز محاسبات علمی تحقیقات انرژی ملی (NERSC)، یک تسهیلات کاربری دفتر علم DOE واقع در آزمایشگاه ملی لاورنس برکلی DOE.