دانشمندان با بازسازی سوپ اولیه بیگ بنگ به کشف غیرمنتظره ای دست یافتند.

اگر این الگو در تحقیقات بیشتر تأیید شود، می‌تواند سرنخ‌های مهمی در مورد چگونگی سرد شدن و متراکم شدن سوپ داغ کوارک‌ها و گلوئون‌ها در چند میکروثانیه اول پس از انفجار بزرگ ارائه دهد. فرآیندی که در نهایت منجر به تشکیل پروتون ها و نوترون هایی شد که ماده معمولی امروزی را تشکیل می دهند.

در هر برخورد، ذرات به طرفین پرتاب می شوند و میانگین شدت این پرتاب از یک برخورد به برخورد دیگر کمی متفاوت است. فیزیکدانان انتظار داشتند که اندازه این تغییرات روندی تدریجی و یکنواخت با افزایش یا کاهش انرژی برخورد داشته باشد. اما داده ها رفتار متفاوتی را نشان دادند: سرعت تغییر ابتدا کاهش یافت، سپس دوباره افزایش یافت. این افت می تواند نشانه یک نقطه بحرانی باشد. مجموعه خاصی از شرایط که در آن ماده هسته ای نحوه تبدیل آن از حالتی به حالت دیگر را تغییر می دهد.

این سیگنال توسط آزمایش STAR واقع در برخورد دهنده یون سنگین نسبیتی یا RHIC در آزمایشگاه ملی بروکهاون در نیویورک ثبت شد. شدت آماری آن به حدی است که احتمال یک رویداد تصادفی بسیار کم به نظر می رسد. با این حال، محققان تاکید می کنند که این افت هنوز فقط یک نشانه امیدوارکننده است و نمی توان آن را دلیلی بر وجود یک نقطه بحرانی دانست. نتایج این مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شد.

قوانین ماده در شرایط شدید

پروتون ها و نوترون ها از ذرات کوچکتری به نام کوارک تشکیل شده اند. نیرویی به نام نیروی قوی که توسط گلوئون ها حمل می شود، کوارک ها را کنار هم نگه می دارد. وقتی پروتون‌ها و نوترون‌ها به اندازه کافی گرم یا فشرده می‌شوند، ساختار طبیعی خود را از دست می‌دهند و به مخلوطی بسیار داغ از کوارک‌ها و گلوئون‌های آزاد تبدیل می‌شوند که پلاسمای کوارک-گلئون نامیده می‌شوند. دانشمندان بر این باورند که چنین سوپ اولیه ای کل جهان را در چند میلی ثانیه اول پس از انفجار بزرگ پر کرده است.

فیزیکدانان معادله حالت ماده هسته ای را مطالعه می کنند تا بفهمند این حالت دقیقا چگونه شکل می گیرد. روتیک مانیکاندان، محقق فوق دکتری فیزیک در دانشگاه ایالتی اوهایو، توضیح داد:

برای آب، این معادله رابطه بین فشار، دما و چگالی را توصیف می کند و نشان می دهد که چه زمانی آب یخ می زند، می جوشد یا منبسط می شود. در مورد ماده هسته ای، این معادله در واقع کتاب قوانین اساسی برای شناخت ماده در شدیدترین شرایط طبیعت، مانند هسته ستاره های نوترونی است.

نقطه بحرانی یکی از مهمترین بخشهای این چارچوب نظری است. مانیکاندان در این باره گفت:

در مورد آب، نقطه بحرانی جایی است که مرز بین مایع و بخار ناپدید می شود.

به گفته وی، نظریه پردازان مدت هاست احتمال وجود نقطه ای مشابه در موضوع هسته ای را مطرح کرده اند. در دماهای بسیار بالا، ماده به تدریج و به آرامی به پلاسمای کوارک-گلئون تبدیل می شود، اما با افزایش چگالی، این تغییر ممکن است به طور ناگهانی و شدید رخ دهد.

نقطه بحرانی در واقع مرزی خواهد بود که در آن نوع ماده از یک شکل به شکل دیگر تغییر می کند. برخی از محاسبات جدید نشان می دهد که برخوردهای RHIC کم انرژی ممکن است بتوانند به چنین نقطه ای برسند. مانیکندان در این خصوص تاکید کرد:

همه این موارد هنوز در سطح فرضیه است و تاکنون هیچ مدرک قطعی نه از سوی آزمایشگران و نه از سوی نظریه پردازان نداریم.

این تحقیق از نظر کیهان شناسی نیز حائز اهمیت است. مواد تولید شده در این برخوردها بسیار شبیه به موادی است که چند میکروثانیه پس از انفجار بزرگ کل جهان را پر کرده است. مانیکاندان گفت:

از آنجا که ماده ای که ما در این برخوردها ایجاد می کنیم شبیه ماده ای است که چند میکروثانیه پس از انفجار بزرگ در جهان وجود داشته است، مطالعه رفتار آن به ما کمک می کند تا بفهمیم که چگونه جهان از یک سوپ داغ کوارک ها و گلوئون ها به پروتون ها و نوترون هایی که همه چیز را تشکیل می دهند، تکامل یافته است.

در مرکز این تحقیق آشکارساز سه گانه STAR در برخورد دهنده نسبیتی یون سنگین قرار دارد. با استفاده از این آشکارساز، دانشمندان شرایط حاکم بر جهان اولیه را در فاصله بسیار کوتاهی پس از انفجار بزرگ بررسی کردند.

کاهش غیرمنتظره چیزی که باید روند ثابتی داشته باشد

برای بررسی این محدوده ناشناخته، محققان از RHIC در طیفی از انرژی های مختلف استفاده کردند. هرچه انرژی برخورد کمتر باشد، مواد حاصل فشرده تر خواهد بود. در آزمایش‌های کم‌توان، گروه STAR از روش هدف ثابت استفاده کرد. در این روش پرتو هسته های طلا به ورقه نازکی از طلا در داخل آشکارساز برخورد می کند و پرتو دومی در جهت مخالف وجود ندارد. این روش متراکم ترین ماده ای را ایجاد می کند که RHIC قادر به تولید آن است.

انرژی برخورد با الکترون ولت اندازه گیری می شود. واحدی که انرژی دریافتی الکترون را هنگام عبور از اختلاف پتانسیل یک ولت بیان می کند. از آنجایی که این مقدار بسیار کوچک است، فیزیکدانان ذرات معمولاً از میلیارد الکترون ولت یا گیگا الکترون ولت استفاده می کنند. یک گیگا الکترون ولت تقریبا معادل انرژی موجود در جرم یک پروتون است و به معادله معروف انیشتین، E=mc² مربوط می شود. تیم تحقیقاتی حدود یک میلیارد برخورد در محدوده انرژی 3 تا 7.7 گیگاالکترون ولت را برای هر جفت پروتون یا نوترون در حال برخورد بررسی کردند. این فاصله در پایین ترین محدوده عملکرد RHIC است. دستگاهی که توانایی رسیدن به 200 گیگا الکترون ولت را دارد.

در هر برخورد، محققان تکانه عرضی ذرات باردار را اندازه گیری کردند. یعنی بررسی کردند که ذرات در جهت عمود بر مسیر اصلی برخورد با چه شدتی از گوی آتشین خارج می شوند. سپس همبستگی بین ذرات را مطالعه کردند. همبستگی نشان می دهد که آیا معمولاً دو کمیت در یک زمان تغییر می کنند یا خیر. در اینجا محققان بررسی کردند که آیا دو ذره از یک برخورد هر دو قوی‌تر از حد متوسط ​​هستند یا هر دو ضعیف‌تر از حد متوسط. چنین رابطه ای اطلاعاتی در مورد وضعیت کلی گلوله آتشین ارائه می دهد. اگر این گوی آتشین کمی داغتر باشد یا با شدت بیشتری منبسط شود، همه ذرات آن تقریباً در یک زمان برخورد جانبی بیشتری دریافت خواهند کرد.

مانیکاندان توضیح داد:

این همبستگی ها نشان می دهد که دما و جریان گلوله آتش چقدر در نوسان است.

در نزدیکی نقطه بحرانی، انتظار می رود ظرفیت گرمایی ماده، یعنی مقدار انرژی مورد نیاز برای افزایش دمای آن، به شدت افزایش یابد. در چنین شرایطی تغییر دمای گلوله آتشین دشوارتر خواهد بود و در نتیجه باید همبستگی بین ذرات کاهش یابد. مانیکاندان گفت:

اگر ماده به یک نقطه بحرانی یا یک انتقال فاز نزدیک شود، انتظار داریم این همبستگی ها به روشی غیرمعمول و غیر هموار با تغییر انرژی برخورد تغییر کند.

دقیقاً همین رفتار در برخوردهای مستقیم مشاهده شد. مانیکاندان گفت:

به جای اینکه همبستگی ها به طور یکنواخت با انرژی تغییر کنند، شاهد کاهش آن ها بودیم.

محققان داده های جدید را با روند یکنواختی که توسط اندازه گیری های قبلی STAR در انرژی های بالاتر تعیین شده بود مقایسه کردند. این افت با اهمیت آماری 5 سیگما با روند مورد انتظار فاصله داشت. سطحی که فیزیکدانان معمولاً برای واقعی بودن یک سیگنال به آن تکیه می کنند. اگر روند واقعی کاملاً یکنواخت بود، احتمال این که نوسانات تصادفی باعث چنین افت محسوسی شود تقریباً یک بار در 3.5 میلیون آزمایش تخمین زده می شود.

مانیکاندان افزود:

از ماده معمولی هسته‌ای، انتظار یک روند صاف و یکنواخت را داریم، بنابراین وجود یک قطره نشان می‌دهد که احتمالاً چیز جالب‌تری در آن وضعیت در جریان است.

در مقابل، یک شبیه‌سازی کامپیوتری پرکاربرد که هیچ نقطه بحرانی در مدل خود ندارد، روند کلی داده‌ها را بازتولید کرد اما نتوانست افت مشاهده‌شده را ایجاد کند. برخوردهای خارج از مرکز نیز نشانه بسیار ضعیفی از همان ویژگی را نشان داد، اما این اثر به تنهایی برای ارائه شواهد کافی نیست.

مانیکندان درباره اهمیت این یافته گفت:

این نتیجه یک نشانه امیدوارکننده است، اما وجود یک نقطه بحرانی را ثابت نمی کند.

محققان خاطرنشان کردند که سایر عوامل غیرمرتبط با نقطه بحرانی نیز می توانند بر این نوسانات تأثیر بگذارند و هنوز مشخص نیست که این عوامل چقدر از افت مشاهده شده را توضیح می دهند.

با وجود این محدودیت، مانیکندان معتقد است که این یافته ارزش قابل توجهی دارد:

این شیب به مجموعه‌ای از شرایط اشاره دارد که تحت آن رفتار ماده هسته‌ای تغییر می‌کند و به نظریه‌پردازان اندازه‌گیری دقیق جدیدی برای آزمایش محاسبات خود ارائه می‌دهد.

گام بعدی محققان استفاده از این همبستگی ها برای استخراج گرمای ویژه ماده داغ خواهد بود. مانیکاندان گفت:

ما قصد داریم گرمای ویژه ماده داغ را از این همبستگی ها استخراج کنیم.

پس از آن، نتایج با شبیه سازی های ابر رایانه مقایسه می شود. مدل هایی که رفتار کوارک ها و گلوئون ها را از روی اصول بنیادی محاسبه می کنند.

تیم تحقیقاتی همچنین قصد دارد افت مشاهده شده را با مدل های نظری بیشتری مقایسه کند و آن را در کنار اندازه گیری های دیگر، از جمله نوسانات در تعداد پروتون های تولید شده در برخورد، بررسی کند. مانیکاندان در پایان گفت:

تنها زمانی که اندازه‌گیری‌های مختلف با یکدیگر موافق باشند، می‌توانیم با قطعیت بگوییم که نقطه بحرانی واقعاً وجود دارد.