العلماء يكشفون أسرار اللحظات الأولى للكون

تركزت جهودهم على رسم خريطة “للحساء البدائي” الذي ملأ الكون في أول مليون من الثانية بعد نشأته.

قام فيزيائيون من جامعة Eötvös Loránd بدراسة مكونات النواة الذرية باستخدام مسرعات الجسيمات الثلاثة الأكثر تقدمًا على مستوى العالم. يهدف بحثهم إلى استكشاف “الحساء البدائي” الذي كان موجودًا في الكون خلال الميكروثانية الأولى بعد إنشائه. ومن المثير للاهتمام أن النتائج التي توصلوا إليها تشير إلى أن حركة الجسيمات المرصودة تشبه البحث عن فريسة للحيوانات المفترسة البحرية، وأنماط تغير المناخ، وتقلبات سوق الأوراق المالية.

في أعقاب الحادث مباشرة الانفجار العظيمكانت درجات الحرارة شديدة للغاية لدرجة أنه لا يمكن أن توجد النوى الذرية، ولا النيوكليونات، وهي وحدات البناء الخاصة بها. ومن ثم، في هذه الحالة الأولى، امتلأ الكون بـ«حساء بدائي» من الكواركات والجلونات.

ومع تبريد الكون، تعرض هذا الوسط لعملية “تجميد”، مما أدى إلى تكوين الجسيمات التي نعرفها اليوم، مثل البروتونات والنيوترونات. يتم تكرار هذه الظاهرة على نطاق أصغر بكثير في تجارب مسرعات الجسيمات، حيث تؤدي الاصطدامات بين نواتين إلى إنشاء قطرات صغيرة من مادة الكواركات. تنتقل هذه القطرات في النهاية إلى المادة العادية من خلال التجميد، وهو تحول معروف للباحثين الذين يجرون هذه التجارب.

الاختلافات في مادة الكوارك

ومع ذلك، فإن خصائص مادة الكوارك تختلف بسبب الاختلافات في الضغط ودرجة الحرارة الناتجة عن طاقة الاصطدام في مسرعات الجسيمات. يتطلب هذا الاختلاف إجراء قياسات “لمسح” المادة في مسرعات الجسيمات ذات الطاقات المختلفة، مثل مصادم الأيونات الثقيلة النسبي (RHIC) في الولايات المتحدة، أو مصادم البروتون الفائق (SPS) ومصادم الهادرونات الكبير (LHC) في سويسرا.

“هذا الجانب بالغ الأهمية لدرجة أنه يتم إنشاء مسرعات جديدة في جميع أنحاء العالم، على سبيل المثال في ألمانيا أو اليابان، خصيصًا لمثل هذه التجارب. “ربما يكون السؤال الأكثر أهمية هو كيفية حدوث الانتقال بين المراحل: قد تظهر نقطة حرجة على خريطة المرحلة”، يشرح ماتي تشاناد، أستاذ الفيزياء في قسم الفيزياء الذرية بجامعة إيوتفوس لوراند (ELTE).

مونتاج للمسارات المعاد بناؤها من أحداث الاصطدام الفعلية وصور فوتوغرافية لأجهزة الكشف المعنية، في مختبر بروكهافن الوطني وفي CERN. المصدر: المونتاج من صنع Máté Csanád / جامعة Eötvös Loránd الصور الأصلية للمونتاج: STAR és PHENIX: Brookhaven National Laboratory and CMS és NA61: CERN

الهدف طويل المدى للبحث هو تعميق فهمنا للتفاعل القوي الذي يحكم التفاعلات في مادة الكوارك وفي النوى الذرية. يمكن تشبيه مستوى معرفتنا الحالي في هذا المجال بفهم البشرية للكهرباء في عصور فولتا أو ماكسويل أو فاراداي. وبينما كان لديهم فكرة عن المعادلات الأساسية، فقد استغرق الأمر قدرًا كبيرًا من العمل التجريبي والنظري لتطوير التقنيات التي أحدثت تحولًا عميقًا في الحياة اليومية، بدءًا من المصباح الكهربائي إلى أجهزة التلفزيون والهواتف وأجهزة الكمبيوتر والإنترنت. وبالمثل، فإن فهمنا للتفاعل القوي لا يزال في مرحلة مبكرة، مما يجعل البحث لاستكشافه ورسم خرائط له أمرًا بالغ الأهمية.

الابتكارات في Femtoscopy

وقد شارك باحثون من ELTE في تجارب على كل من هذه المسرعات المذكورة أعلاه، وقد أدى عملهم على مدى السنوات القليلة الماضية إلى صورة شاملة لهندسة مادة الكواركات. لقد حققوا ذلك من خلال تطبيق تقنيات الفيمتوسكوبي. تستخدم هذه التقنية الارتباطات التي تنشأ من الطبيعة الموجية غير الكلاسيكية الشبيهة بالكم للجسيمات المنتجة، والتي تكشف في النهاية عن بنية مقياس الفيمتومتر للوسط، وهو مصدر انبعاث الجسيمات.

باحثون من جامعة إيتفوس يعملون على جمع بيانات تجربة STAR في مختبر بروكهافن الوطني. الائتمان: Máté Csanád / جامعة Eötvös Loránd

يوضح مارتون ناجي، أحد الباحثين الرئيسيين في المجموعة: “في العقود السابقة، تم إجراء عملية تنظير الفيمتو على افتراض أن مادة الكوارك تتبع توزيعًا طبيعيًا، أي الشكل الغوسي الموجود في العديد من الأماكن في الطبيعة”.

ومع ذلك، تحول الباحثون المجريون إلى عملية ليفي، المألوفة أيضًا في مختلف التخصصات العلمية، كإطار أكثر عمومية، وهي وصف جيد للبحث عن الفريسة من قبل الحيوانات المفترسة البحرية، وعمليات سوق الأوراق المالية، وحتى تغير المناخ. ومن السمات المميزة لهذه العمليات أنها تخضع في لحظات معينة لتغيرات كبيرة جدًا (على سبيل المثال، عندما يبحث سمكة قرش عن الطعام في منطقة جديدة)، وفي مثل هذه الحالات يمكن أن يحدث توزيع ليفي بدلاً من التوزيع الطبيعي (الغاوسي).

الآثار المترتبة ودور ELTE

يحمل هذا البحث أهمية كبيرة لعدة أسباب. في المقام الأول، أحد أكثر السمات التي تمت دراستها لتجميد مادة الكوارك، وتحولها إلى مادة تقليدية (هادرونية)، هو نصف قطر الفيمتوسكوبي (يُسمى أيضًا نصف قطر HBT، مع الإشارة إلى علاقته بتأثير هانبري براون وتويس المعروف). في علم الفلك)، وهو مشتق من القياسات الفيمتوسكوبية. ومع ذلك، يعتمد هذا المقياس على الهندسة المفترضة للوسط. وكما يلخص دانييل كينسيس، باحث ما بعد الدكتوراه في المجموعة، “إذا لم يكن الافتراض الغوسي هو الأمثل، فلا يمكن الحصول على النتائج الأكثر دقة من هذه الدراسات إلا في ظل افتراض ليفي. إن قيمة “أس ليفي”، التي تميز توزيع ليفي، قد تلقي الضوء أيضًا على طبيعة المرحلة الانتقالية. وبالتالي، فإن تنوعها مع طاقة الاصطدام يوفر نظرة ثاقبة على المراحل المختلفة للمادة الكواركية.

يشارك باحثون من ELTE بنشاط في أربع تجارب: NA61/SHINE في مسرع SPS، وPHENIX وSTAR في RHIC، وCMS في LHC. يقود مجموعة NA61/SHINE التابعة لـ ELTE يوشيكازو ناجاي، ومجموعة CMS بقيادة غابرييلا باستور؛ ومجموعات RHIC التي أنشأها Máté Csanád، الذي يقوم أيضًا بتنسيق أبحاث تنظير الفيمتو في ELTE.

وتقدم هذه المجموعات مساهمات كبيرة في نجاح التجارب بقدرات مختلفة، بدءًا من تطوير الكاشف وحتى الحصول على البيانات وتحليلها. كما يشاركون في العديد من المشاريع والأبحاث النظرية. “الأمر الفريد في بحثنا عن تنظير الفيمتوسكوبي هو أنه يتم إجراؤه في أربع تجارب في ثلاثة مسرعات جسيمات – مما يمنحنا رؤية واسعة للهندسة والأطوار المحتملة للمادة الكوارك”، يقول ماتي تشاناد.

المرجع: “طريقة جديدة لحساب وظائف ارتباط بوز-آينشتاين مع تفاعل الحالة النهائية لكولوم” بقلم مارتون ناجي وأليتا بورزا وماتي كساناد ودانييل كينسيس، 8 نوفمبر 2023، المجلة الفيزيائية الأوروبية ج.
دوى: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y