فیزیکدانان نخستین میلی‌ثانیه پس از بیگ بنگ را بازسازی کردند(+عکس)

برخوردهای سنگین در برخورد دهنده هادرونی بزرگ (LHC) ردّ بسیار کم‌رنگی از موجی را آشکار کرده‌اند که یک کوارک هنگام عبور از ماده هسته‌ای با دمای تریلیون درجه از خود بر جای می‌گذارد — و این نشان می‌دهد که «سوپ آغازین» جهان شاید واقعاً بیش از آنچه تصور می‌کردیم شبیه سوپ بوده است.

به گزارش بیگ بنگ، یافته‌های جدید از همکاری آشکارساز Compact Muon Solenoid (CMS) نخستین شواهد روشن از یک «افت کوچک» در تولید ذرات را در پشت یک کوارک پرانرژی نشان می‌دهد؛ کوارکی که در حال عبور از پلاسمای کوارک-گلوئون است — قطره‌ای از ماده‌ی آغازین که تصور می‌شود چند میکروثانیه پس از بیگ بنگ سراسر جهان را پر کرده بود.

بازآفرینی شرایط جهان اولیه در آزمایشگاه

زمانی که هسته‌های سنگین اتمی با سرعتی نزدیک به سرعت نور در شتاب دهنده با هم برخورد می‌کنند، برای لحظه‌ای کوتاه به حالتی عجیب به نام «پلاسمای کوارک-گلوئون» ذوب می‌شوند.

“یی چن” استادیار فیزیک در دانشگاه وندربیلت و عضو تیم CMS، گفت: در این محیط فوق‌العاده افراطی، «چگالی و دما آن‌قدر بالاست که ساختار معمول اتم دیگر حفظ نمی‌شود»

به‌جای آن، «تمام هسته‌ها روی هم می‌افتند و پلاسمای کوارک-گلوئون را تشکیل می‌دهند؛ جایی که کوارک‌ها و گلوئون‌ها می‌توانند خارج از محدوده هسته‌ها حرکت کنند. رفتار آن‌ها بیشتر شبیه یک مایع است تا یک گاز ساده از ذرات.»

این قطره پلاسما فوق‌العاده کوچک است — حدود ۱۰⁻¹⁴ متر قطر دارد، یعنی ۱۰ هزار بار کوچک‌تر از یک اتم — و تقریباً بلافاصله ناپدید می‌شود. اما در همان لحظه کوتاه، کوارک‌ها و گلوئون‌ها — حاملان بنیادی نیروی هسته‌ای قوی که هسته اتم را کنار هم نگه می‌دارد — به صورت جمعی جریان پیدا می‌کنند، رفتاری که بیشتر به یک مایع فوق‌داغ شباهت دارد تا گاز ذرات.

فیزیکدانان می‌خواهند بدانند ذرات پرانرژی چگونه با این محیط عجیب تعامل می‌کنند. “چن” می‌گوید: «در مطالعاتمان می‌خواهیم بررسی کنیم چیزهای مختلف چگونه با این قطره کوچک مایع که در برخوردها ایجاد می‌شود تعامل می‌کنند. مثلاً یک کوارک پرانرژی چگونه از میان این مایع داغ عبور می‌کند؟»

رد موجی مانند عبور قایق در آب

نظریه پیش‌بینی می‌کند که کوارک هنگام عبور، موجی قابل تشخیص در پشت خود در پلاسما ایجاد می‌کند؛ درست مانند قایقی که هنگام حرکت در آب، موجی از خود به جا می‌گذارد. “چن” توضیح می‌دهد: «آب در جهت حرکت قایق به جلو رانده می‌شود، اما انتظار داریم پشت قایق یک افت کوچک در سطح آب ایجاد شود، چون آب از آن ناحیه دور می‌شود.»

اما در عمل، جدا کردن «قایق» از «آب» کار ساده‌ای نیست. قطره پلاسما بسیار کوچک است و دقت آزمایش محدود. در جلوی مسیر کوارک، برهم‌کنش شدید بین کوارک و پلاسما تشخیص منشأ سیگنال‌ها را دشوار می‌کند. اما پشت کوارک، اگر موجی وجود داشته باشد، باید ویژگی خود پلاسما باشد. «پس ما می‌خواهیم این افت کوچک را در پشت مسیر پیدا کنیم.»

استفاده از بوزون Z به عنوان نشانگر دقیق

برای جدا کردن این اثر، تیم تحقیقاتی به سراغ ذره‌ای ویژه رفت: بوزون Z — یکی از حاملان نیروی هسته‌ای ضعیف (یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت در کنار نیروی الکترومغناطیسی، قوی و گرانشی). در برخی برخوردها، یک بوزون Z و یک کوارک پرانرژی به طور همزمان تولید می‌شوند و در جهت‌های مخالف حرکت می‌کنند.

اینجاست که بوزون Z اهمیت پیدا می‌کند. “چن” می‌گوید: «بوزون‌های Z حامل نیروی ضعیف‌اند و از دید پلاسما تقریباً هیچ برهم‌کنشی ندارند؛ بنابراین به‌سادگی از ناحیه برخورد خارج می‌شوند.»

برخلاف کوارک‌ها و گلوئون‌ها، بوزون Z تقریباً بدون تأثیر از پلاسما عبور می‌کند و به دانشمندان امکان می‌دهد جهت و انرژی اولیه کوارک را با دقت تعیین کنند. به بیان ساده، بوزون Z مانند یک «نشانگر کالیبره‌شده» عمل می‌کند و جست‌وجوی تغییرات ظریف در تولید ذرات پشت کوارک را آسان‌تر می‌سازد.

تیم CMS همبستگی میان بوزون‌های Z و هادرون‌ها (ذرات مرکب از کوارک‌ها) را اندازه‌گیری کرد و بررسی کرد چه تعداد هادرون در جهت «پشتی» نسبت به حرکت کوارک، ظاهر می‌شوند.

سیگنالی کوچک اما بسیار مهم

نتیجه بسیار ظریف است. “چن” می‌گوید: «به طور میانگین، در جهت پشتی، کمتر از ۱ درصد کاهش در مقدار پلاسما می‌بینیم. اثر بسیار کوچکی است و همین باعث شد اثبات تجربی آن این‌قدر زمان ببرد.» اما همین کاهش کمتر از یک درصد دقیقاً همان امضایی است که انتظار می‌رود وقتی کوارک انرژی و تکانه خود را به پلاسما منتقل می‌کند و ناحیه‌ای تهی پشت خود باقی می‌گذارد.

این نخستین بار است که چنین افتی به‌وضوح در رویدادهای برچسب‌خورده با بوزون Z مشاهده می‌شود. شکل و عمق این افت اطلاعاتی درباره ویژگی‌های پلاسما در اختیار می‌گذارد.

“چن” دوباره از مثال آب استفاده می‌کند: اگر آب روان باشد، افت پشت قایق سریع پر می‌شود. اگر شبیه عسل باشد، فرورفتگی مدت بیشتری باقی می‌ماند. «بنابراین مطالعه شکل این افت به ما اطلاعاتی درباره خود پلاسما می‌دهد، بدون پیچیدگی حضور قایق.»

نگاهی به جهان نخستین

این یافته‌ها پیامدهای کیهان‌شناسی نیز دارند. تصور می‌شود جهان اولیه، اندکی پس از بیگ بنگ، با پلاسمای کوارک-گلوئون پر شده بود و سپس با سرد شدن به پروتون‌ها، نوترون‌ها و در نهایت اتم‌ها تبدیل شد.

چن می‌گوید: «این دوره را نمی‌توان مستقیماً با تلسکوپ‌ها مشاهده کرد. جهان در آن زمان کدر بود.» برخوردهای یون سنگین در شتاب دهنده «نگاهی بسیار کوچک اما ارزشمند به رفتار جهان در آن دوره» فراهم می‌کنند.

او در پایان افزود: «این فقط آغاز راه است. پیامد هیجان‌انگیز این کار آن است که مسیر جدیدی برای درک بهتر ویژگی‌های پلاسما، باز می‌کند. با جمع‌آوری داده‌های بیشتر، می‌توانیم این اثر را با دقت بالاتری مطالعه کنیم و در آینده نزدیک اطلاعات بیشتری دربارۀ پلاسما به دست آوریم.»

به طور خلاصه: دانشمندان با بازآفرینی شرایط نخستین میلی‌ثانیه‌های پس از بیگ بنگ را نشان دادند که ماده‌ی آغازین جهان نه یک گاز ساده، بلکه مایعی فوق‌داغ و واقعاً «سوپ‌مانند» بوده است. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Physics Letters B منتشر شده و نگاهی هیجان‌انگیز به نخستین لحظات کیهان ارائه می‌دهد.

 منبع: livescience.com

کیهان تهدید کرد: حمله به مراکز و تاسیسات هسته ای آمریکا

بیشتر بخوانید:

آیا قبل از بیگ بنگ زندگی مخفی وجود داشته است؟

مطالعه‌ای جدید نظریه بیگ بنگ را رد می‌کند: جهان با انفجارهای پیاپی انرژی شکل گرفته است

کیهان‌شناسان: احتمالا بیگ بنگ دومی هم در کار بوده است!

بیگ بنگ یک افسانه است؛ کیهان تدریجی متولد شده است!

تماشاخانه

کاشفان قاره آمریکا فاتحان جام آمریکا / از استعمار تا زمین سبز فوتبال

غار اسپهبد خورشید؛ کشفیات باستان‌شناسان در یکی از آخرین دژ‌های ساسانیان / «سرمه‌دانی با روکش طلایی، اولین سند مکتوب از دوره ساسانیان در مازندران»

فیلم های دیگر