كشف العلماء أسرار اللحظات الأولى للكون

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

يستخدم الفيزيائيون في جامعة إيوتفوس لوراند ثلاثة من أكثر مسرعات الجسيمات تقدمًا في العالم لدراسة عناصر النواة. يهدف بحثهم إلى استكشاف “الحساء البدائي” الذي كان موجودًا في الكون في الميكروثانية الأولى بعد خلقه. ومن المثير للاهتمام أن النتائج التي توصلوا إليها تشير إلى أن حركة الجسيمات المرصودة ترتبط بالحيوانات المفترسة البحرية التي تبحث عن فريسة، وأنماط تغير المناخ، وتقلبات سوق الأوراق المالية.

في أعقاب ذلك مباشرة .الانفجار العظيمتكون درجة الحرارة شديدة للغاية بحيث لا يمكن للنوى أن توجد، ولا يمكن للنيوكليونات أن تكون وحدات البناء الخاصة بها. لذلك، في هذه الحالة الأولى، كان الكون مليئًا بـ “حساء بدائي” من الكواركات والجلونات.

ومع تبريد الكون، خضع هذا الوسط لعملية “إخماد” أدت إلى خلق جسيمات مثل البروتونات والنيوترونات كما نعرفها اليوم. يتم تكرار هذه الظاهرة على نطاق أصغر بكثير في تجارب مسرعات الجسيمات، حيث تؤدي الاصطدامات بين نواتين إلى إنشاء قطرات صغيرة من مادة الكواركات. تتجمد هذه القطرات في النهاية إلى مادة طبيعية، وهو ما يعرفه الباحثون الذين يجرون هذه التجارب.

الاختلافات في مادة الكوارك

ومع ذلك، فإن خصائص مادة الكوارك تختلف بسبب اختلافات الضغط ودرجة الحرارة الناتجة عن الطاقة التصادمية في مسرعات الجسيمات. يتطلب هذا الاختلاف مسرعات جسيمات ذات طاقات مختلفة “لمسح” المواد الموجودة في مصادم الأيونات الثقيلة النسبي (RHIC) في الولايات المتحدة، أو مصادم البروتون الفائق (SPS) ومصادم الهادرونات الكبير (LHC) في سويسرا.

“هذه الميزة مهمة للغاية بحيث يتم بناء مسرعات جديدة في جميع أنحاء العالم، على سبيل المثال في ألمانيا أو اليابان، خاصة لمثل هذه التجارب. والسؤال الأكثر أهمية هو كيف يحدث الانتقال بين المراحل: قد تظهر نقطة حرجة في مخطط المرحلة “، يقول جامعة Eötvös Loránd (ELTE)، عالم الفيزياء في قسم الفيزياء النووية. يشرح البروفيسور Máté Csanád.

مجموعة من المسارات أعيد بناؤها من صور أحداث الاصطدام الفعلية وأجهزة الكشف المرتبطة بها في مختبر بروكهافن الوطني والمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN). الائتمان: Máté Csanád / جامعة Eötvös Loránd إنتاج Montage Montage الصور الأصلية: STAR és PENIX: Brookhaven National Laboratory and CMS és NA61: CERN

الهدف طويل المدى للبحث هو تعميق فهمنا للتفاعل القوي الذي يحكم التفاعلات في مادة الكواركات والنوى. يمكن مقارنة معرفتنا الحالية بالكهرباء بمعرفة فولتا أو ماكسويل أو فاراداي. وعلى الرغم من أن لديهم فكرة عن المعادلات الأساسية، إلا أن الأمر استغرق قدرًا كبيرًا من العمل التجريبي والنظري لتطوير التقنيات التي غيرت الحياة اليومية بشكل عميق، من المصباح الكهربائي إلى أجهزة التلفزيون والهواتف وأجهزة الكمبيوتر والإنترنت. وبالمثل، فإن فهمنا للتفاعلات القوية لا يزال في مرحلة جنينية، ويعد البحث لاستكشافه ورسم خريطة له أمرًا بالغ الأهمية.

الابتكارات في تنظير الفيمتوسكوبي

وقد شارك الباحثون في ELTE في تجارب على كل من هذه المسرعات المذكورة أعلاه، وقد أدى عملهم على مدى السنوات القليلة الماضية إلى صورة أكثر تفصيلا لهندسة مادة الكواركات. لقد حققوا ذلك باستخدام تقنيات الفيمتوسكوبي. تستغل هذه التقنية التفاعلات الناشئة عن الطبيعة الموجية غير الكلاسيكية الشبيهة بالكم للجسيمات المنتجة، والتي تكشف في النهاية عن بنية مقياس الفيمتومتر للوسط المصدر الذي ينبعث منه الجسيمات.

يعمل باحثو جامعة Eötvös في مختبر Brookhaven الوطني على الحصول على بيانات تجربة STAR. الائتمان: Máté Csanád / جامعة Eötvös Loránd

يوضح مورتن ناجي، أحد الباحثين الرئيسيين في الفريق: “في العقود السابقة، كان الفيمتوسكوبي يعمل على افتراض أن مادة الكوارك تتبع التوزيع الطبيعي، أي الشكل الغوسي الموجود في العديد من الأماكن في الطبيعة”.

ومع ذلك، تحول الباحثون المجريون إلى عملية ليفي، المعروفة في مختلف المجالات العلمية، وهي الإطار الأكثر شيوعا، وهي أفضل تفسير للبحث عن الفرائس من قبل الحيوانات المفترسة البحرية، وعمليات سوق الأوراق المالية، وتغير المناخ. ومن السمات المميزة لهذه العمليات أنها تخضع في بعض اللحظات لتغيرات كبيرة جدًا (على سبيل المثال، عندما يبحث سمكة قرش عن طعام في منطقة جديدة)، وفي مثل هذه الحالات يمكن أن يحدث توزيع ليفي بدلاً من التوزيع الطبيعي (الغاوسي). .

الآثار المترتبة ودور ELTE

ولهذا البحث أهمية كبيرة لعدة أسباب. في المقام الأول، تخثر مادة الكوارك إلى مادة تقليدية (هادرونية)، نصف قطر الفيمتوسكوبي (المعروف أيضًا باسم نصف قطر HBT، المرتبط بتأثير هانبيري براون وتويس المعروف. علم الفلك)، تم الحصول عليه من قياسات الفيمتوسكوبي. ومع ذلك، يعتمد هذا المعيار على الهندسة المفترضة للوسط. يلخص دانييل كينشيز، باحث ما بعد الدكتوراه في المجموعة، قائلاً: “إذا لم يكن الافتراض الغوسي هو الأمثل، فلا يمكن الحصول على النتائج الأكثر دقة لهذه الدراسات إلا في ظل افتراض ليفي. يمكن لقيمة “أس ليفي”، التي تمثل توزيع ليفي، أن تلقي الضوء أيضًا على طبيعة المرحلة الانتقالية. ولذلك، فإن تنوعها مع طاقة الاصطدام يوفر رؤية قيمة للأطوار المختلفة للمادة الكواركية.

يشارك باحثو ELTE بنشاط في أربع تجارب: NA61/SHINE في مسرع SPS، وPENIX وSTAR في RHIC، وCMS في LHC. يقود فريق NA61/SHINE التابع لـ ELTE يوشيكازو ناجاي، ويقود فريق CMS غابرييلا باستور. ومجموعات RHIC التابعة لـ Máté Csanád التي تنسق أبحاث تنظير الفيمتو في ELTE.

تقدم الفرق مساهمات كبيرة في نجاح التجارب في مجموعة متنوعة من القدرات، بدءًا من تطوير الكاشف وحتى الحصول على البيانات وتحليلها. ويشاركون في العديد من المشاريع والأبحاث النظرية. يقول ماتي كساناد: “الأمر الفريد في بحثنا عن تنظير الفيمتوسكوبي هو أنه تم إجراؤه في أربع تجارب في ثلاثة مسرعات جسيمات – وهذا يمنحنا رؤية واسعة للهندسة والأطوار المحتملة لمادة الكوارك”.

المرجع: “طريقة جديدة لحساب وظائف ارتباط بوز-آينشتاين مع ارتباط كولوم للحالة المحدودة” بقلم مارتن ناجي وأليتا بورسا وماتي شانات ودانيال كينشيز، 8 نوفمبر 2023. المجلة الفيزيائية الأوروبية ج.
دوى: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y