كيف كانت تبدو الميكروثانية الأولى للكون؟

في تجارب حديثة، نجح الفيزيائيون في إعادة إنتاج الظروف التي سادت في اللحظات الأولى بعد الانفجار الكبير، وتوصلوا إلى رؤى رائعة في فيزياء الجسيمات

بقلم: في زيك وم. ريوردان، مجلة ساينتفيك أمريكان

ولتقليد الظروف التي كانت سائدة في بداية الكون، استخدم مئات العلماء جهاز تكسير ذري قوي، موجود في مختبر بروكهافن الوطني في لونغ آيلاند، في السنوات الخمس الماضية. يجمع هذا الجهاز، المسمى "مسرع الأيونات الثقيلة النسبية" (RHIC)، شعاعين من نواة الذهب تتحرك بسرعات قريبة من سرعة الضوء. تولد الاصطدامات المباشرة بين أزواج من نوى الذهب من الشعاعين رشقات نارية شديدة الحرارة والكثيفة من المادة والطاقة، في عملية تحاكي ما حدث في الميكروثانية الأولى من الانفجار الكبير. هذه "التعويضات الصغيرة" القصيرة تلمح للعلماء حول العمليات التي حدثت في اللحظات الأولى من الخلق. خلال تلك اللحظات الأولى، كانت المادة في ليلة شديدة الحرارة والضغط للغاية من جسيمات تسمى الكواركات والجلونات، تتحرك في كل الاتجاهات وتتصادم مع بعضها البعض. حفنة من الإلكترونات والفوتونات والجسيمات الأولية الأخرى تتبل الحساء الناتج. وكانت درجة حرارة الخليط في حدود تريليون درجة، وهي درجة حرارة أعلى 100,000 مرة من درجة حرارة قلب الشمس.

ولكن مع توسع الكون، بدأت درجة الحرارة في الانخفاض، تمامًا كما يبرد الغاز الطبيعي أثناء توسعه بسرعة. تباطأت حركة الكواركات والجلونات كثيرًا لدرجة أن بعضها تمكن من البقاء معًا لفترات قصيرة من الزمن. وبعد حوالي 10 ميكروثانية، وبسبب قوى التجاذب القوية بينهما، تجمعت الكواركات والجلونات معًا بشكل دائم وكوّنت البروتونات والنيوترونات وجسيمات أخرى تتفاعل مع القوة النووية الشديدة، وتعرف لدى الفيزيائيين بالاسم الجماعي "الهدرونات". .

يسمى هذا التغيير الحاد في خصائص المادة بمرحلة انتقالية (على غرار التحول الذي يحدث في الماء عندما يتجمد ويتحول من الحالة السائلة إلى الجليد الصلب). يعد انتقال المرحلة الكونية من الخليط الأصلي للكواركات والجلونات إلى نفس الخليط من البروتونات والنيوترونات العادية مصدر اهتمام هائل في المجتمع العلمي - سواء بالنسبة لأولئك الذين يبحثون عن أدلة حول تطور الكون نحو الحالة الهيكلية إنه موجود اليوم، وأيضًا لأولئك الذين يحاولون فهم القوى الأساسية المشاركة في العملية بشكل أفضل.

بقايا بحر قديم

البروتونات والنيوترونات التي تشكل نوى الذرات اليوم، هي بقايا ذلك البحر البدائي، وتشكل ما يشبه زنازين السجن دون الذرية للكواركات التي تتحرك فيها، سجينة إلى الأبد. حتى في الاصطدامات القوية، عندما يبدو أن الكواركات يمكن أن تتحرر، تتشكل "جدران" جديدة تبقيها محاصرة. ورغم محاولات العديد من العلماء، لم يتمكن أي منهم من اكتشاف كوارك واحد يتحرك بمفرده في كاشف الجسيمات.

يوفر RHIC للباحثين فرصة ذهبية لمراقبة الكواركات والجلونات، المنبعثة من البروتونات أو النيوترونات، وفي حالة جماعية تبدو حرة تشبه الحالة التي سادت في تلك الميكروثانية البدائية من الكون. أعطى المنظرون هذا الخليط اسمه الأصلي - "بلازما كوارك-غلوون"، حيث توقعوا أن تكون خصائصه مشابهة لخصائص غاز ساخن للغاية من الجسيمات المشحونة (البلازما)، على غرار ما يتم إنشاؤه في ضربة البرق.

RHIC، الذي يقصف النوى الثقيلة مع بعضها البعض في نوع من "الانفجارات الصغيرة" ويطلق الكواركات والجلونات لفترة وجيزة، يُستخدم في الواقع كنوع من التلسكوب في الوقت المناسب، مما يسمح بإلقاء نظرة خاطفة على الكون القديم، الذي كان يهيمن عليه كوكب حار و بلازما كوارك جلون مضغوطة. أكبر مفاجأة حتى الآن في RHIC هي أن هذه المادة الغريبة تتصرف مثل السائل ذي الخصائص الخاصة أكثر من الغاز.

حركة إطلاق الكواركات

في عام 1977، عندما نشر عالم الفيزياء النظرية ستيفن واينبرغ كتابه الكلاسيكي "الثواني الثلاث الأولى" عن فيزياء الكون المبكر. يمتنع في كتابه عن تقديم استنتاجات لا لبس فيها حول المائة الأولى من الثانية. وكتب بحزن: "ببساطة، نحن لا نعرف حتى الآن ما يكفي عن فيزياء الجسيمات الأولية حتى نتمكن من حساب خصائص هذا الخليط بأي درجة من الثقة". "ومن هنا فإن جهلنا بالفيزياء المجهرية هو الذي يقف بيننا وبين فهمنا لبداية الكون."

ومع ذلك، فإن الاختراقات النظرية والتجريبية، التي حدثت بالفعل في ذلك العقد، بدأت في خفض الاحتياطيات. في البداية تم اكتشاف أن البروتونات والنيوترونات وجميع الهادرونات الأخرى تحتوي على كواركات. وأكثر من ذلك - في منتصف السبعينيات، تم تطوير نظرية القوى القوية المؤثرة بين الكواركات، والتي تسمى الديناميكا اللونية الكمية، أو QCD. تفترض هذه النظرية أن ثمانين جسيمًا محايدًا بعيد المنال يُطلق عليها غلوونات تدور بين الكواركات وتحمل القوة المتواصلة التي تحصرها داخل الهادرونات.

ما يثير الاهتمام بشكل خاص حول QCD هو أنه في هذه النظرية، على عكس نظريات القوة الكهرومغناطيسية والجاذبية، تضعف قوة الاقتران عندما تقترب الكواركات من بعضها البعض. سميت هذه الظاهرة الغريبة وغير البديهية بـ "الحرية المقاربة". ويعني أنه عندما يكون كواركان قريبين من بعضهما البعض، على مسافة أصغر من قطر البروتون (حوالي 10-13 سم)، فإنهما يشعران بقوة ضعيفة، وهي قوة يستطيع الفيزيائيون حسابها بدقة كبيرة باستخدام الطرق القياسية . فقط عندما تبدأ الكواركات بالابتعاد عن بعضها البعض، تصبح القوة بينهما قوية جدًا وتسحب الجسيمات إلى الخلف.

أكثر من أي شيء آخر، فإن الحرية المقاربة في QCD هي ما سيسمح للفيزيائيين برفع المخزن المؤقت لـ Weinberg، والتعرف على ما حدث في تلك الميكروثانية الأولى. وطالما كانت درجة الحرارة أعلى من 10 تريليون درجة، فإن الكواركات والجلونات تتصرف بشكل فعال كجسيمات مستقلة. حتى في درجات الحرارة المنخفضة، التي تصل إلى حوالي 2 تريليون درجة، استمرت الكواركات في التجول بشكل مستقل، لكنها بدأت بالفعل تشعر بقوة QCD الكاملة التي تفجر أعناقها.

كيف يمكنك إعادة خلق الانفجار الكبير؟

لمحاكاة مثل هذه الظروف القاسية هنا على الأرض، يحتاج الفيزيائيون إلى إعادة خلق درجات الحرارة والكثافات والضغوط الهائلة التي سادت في الميكروثانية الأولى. درجة الحرارة هي في الواقع متوسط ​​الطاقة الحركية لجسيم ما، والذي يقع بين مجموعة من الجزيئات المتشابهة، في حين أن الضغط هو الكمية التي تزداد مع زيادة كثافة الطاقة لتلك المجموعة من الجزيئات. لذلك، فإن إدخال أكبر قدر ممكن من الطاقة في أصغر حجم ممكن سيقربنا من إعادة خلق الظروف التي سادت في الانفجار الكبير.

ولحسن الحظ، تزودنا الطبيعة بسهولة بكتل كثيفة للغاية من المادة على شكل نوى ذرية. ولو كان من الممكن بطريقة أو بأخرى جمع ما يكفي من هذه المواد وملء كشتبان بها، لبلغ وزنها حوالي 300 مليون طن. لقد توصلت حوالي 30 عامًا من الخبرة في اصطدامات النوى الثقيلة، مثل الرصاص والذهب، عند طاقات عالية، إلى أن الكثافات الناتجة عن مثل هذه الاصطدامات أكبر بكثير من تلك الناتجة عن المواد النووية العادية، وأن درجات الحرارة الناتجة تزيد عن 5 تريليون درجة .

في اصطدام النوى الثقيلة، التي يحتوي كل منها على حوالي 200 بروتون ونيوترون، يتم إنشاء جحيم أكبر بكثير من اصطدام البروتونات المفردة (التصادمات بين البروتونات أكثر شيوعًا في تجارب فيزياء الطاقة العالية). فبدلاً من حدوث انفجار صغير تتطاير فيه بضع عشرات من الجسيمات، تؤدي اصطدامات مثل هذه الأيونات الثقيلة إلى إنشاء كرة نارية تحتوي على آلاف الجسيمات. إن عدد الجسيمات المعنية كبير بما يكفي لوصف الكرة النارية وفقًا لخصائصها الجماعية - درجة حرارتها، وكثافتها، وضغطها، ولزوجتها - وكلها تصبح معلمات مهمة. وهذا تمييز مهم يشبه التمييز بين سلوك عدد قليل من جزيئات الماء المعزولة وسلوك قطرة بأكملها.

RHIC هي المنشأة الأكثر ابتكارًا لإنشاء تصادمات بين الأيونات الثقيلة ودراستها. ويتم تمويله من قبل وزارة الطاقة الأمريكية ويديره مختبر بروكهافن. كانت المسرعات الجزيئية السابقة تطلق حزمًا من النوى الثقيلة على أهداف معدنية ثابتة. ومن ناحية أخرى، فإن RHIC عبارة عن معجل للجسيمات يخلق تصادمًا بين حزمتين من النوى الثقيلة. تنتج الاصطدامات المباشرة طاقات أكبر بكثير من طاقات الجسيمات نفسها بنفس السرعة، حيث يتم استثمار كل الطاقة المتاحة في خلق التشابك. التأثير مشابه لما يحدث عندما تصطدم سيارتان ببعضهما البعض في تصادم مباشر. وتتحول طاقة حركتها إلى طاقة حرارية عشوائية للأجزاء والشظايا المتطايرة في كل مكان.

وفي التجارب التي أجريت في RHIC، تتحرك الأنوية بسرعة تتجاوز 99.99% من سرعة الضوء، وتصل إلى طاقات تبلغ 100 مليار إلكترون فولت (100 GeV) لكل بروتون أو نيوترون داخل المسرع (طاقة 1 GeV تساوي تقريبًا يعادل كتلة البروتون الثابت). تتأثر هذه السرعات والطاقات بشدة بالتأثيرات النسبية. سلسلتان مصنوعتان من 870 مغناطيسًا فائق التوصيل، يتم تبريدهما بأطنان من الهيليوم السائل، توجهان الحزم حول حلقتين مدمجتين يبلغ طول كل منهما 3.8 كيلومتر. تتصادم العوارض عند النقاط الأربع التي تتقاطع فيها الحلقات مع بعضها البعض. وتقوم أربعة أجهزة متطورة للكشف عن الجسيمات، تسمى برامز وفينيكس وفوبوس وستار، بتسجيل المعلومات التي تسجل الشظايا المتطايرة في كل مكان نتيجة لتلك الاصطدامات القوية.

عندما تصطدم نواتان من الذهب وجهاً لوجه بأعلى طاقة يمكن تحقيقها في RHIC، فإنهما يركزان طاقة تزيد عن 20,000 جيجا إلكترون فولت في كرة نارية مجهرية يبلغ قطرها حوالي تريليون من السنتيمتر. بطريقة مصورة، يمكنك وصف النوى ومكوناتها، البروتونات والنيوترونات، كما لو أنها تذوب، ومن كل الطاقة المتاحة، يتم إنشاء العديد من الكواركات والكواركات المضادة (جسيمات المادة المضادة، وأزواج الكواركات) والغلوونات. يتم إطلاق أكثر من 5,000 جسيم أولي في غمضة عين في الاصطدام النموذجي. إن الضغط الناتج في لحظة الاصطدام هائل، أكبر بـ 1030 مرة من الضغط الجوي، وترتفع درجة الحرارة داخل الكرة النارية إلى تريليونات الدرجات.

ولكن بعد حوالي 50 تريليون من تريليون من الثانية (10-23X5 ثانية) تتجمع جميع الكواركات والكواركات المضادة والجلونات مرة أخرى وتشكل الهادرونات، التي تطير في انفجار باتجاه الكواشف المحيطة. وبمساعدة أجهزة كمبيوتر ضخمة، جرت محاولة لتسجيل أكبر قدر ممكن من المعلومات حول آلاف الجسيمات التي تصل إلى أجهزة الكشف. اثنتان من التجارب - برامز وفوبوس، صغيرتان نسبيًا وتركزان على تحليل خصائص محددة للجسيمات الخارجة من الاصطدام. التجربتان الأخريان - فينيكس وستار - مبنيتان حول منشآت ضخمة متعددة الأغراض تملأ ثلاثة طوابق من القاعات بأطنان من المغناطيس والكاشفات وممتصات الإشعاع والدروع الإشعاعية.

تم تصميم وبناء وتشغيل تجارب RHIC الأربع من قبل فرق دولية منفصلة، ​​يتراوح عدد كل منها من 60 إلى 500 عالم أو أكثر. تبنت كل مجموعة استراتيجية مختلفة للتعامل مع التعقيد الهائل لأحداث التشتت في RHIC. اختار فريق برامز التركيز على بقايا البروتونات والنيوترونات الأصلية، والتي تستمر في التحرك تقريبًا في نفس اتجاه الحركة الأصلية لنواة الذهب. ومن ناحية أخرى، يركز فريق فوبوس على اكتشاف الجسيمات في نطاق زاوي واسع جدًا ويفحص الارتباطات بينها. تم بناء ستار حول أكبر "كاميرا رقمية" في العالم - وهي عبارة عن أسطوانة ضخمة من الغاز توفر صورًا ثلاثية الأبعاد لجميع الجزيئات المشحونة المنبعثة في منشأة كبيرة تحيط بمحور الشعاع. يبحث فينيكس عن تلك الجسيمات التي تكونت في وقت مبكر من عملية الاصطدام ويمكن أن تخرج سالمة من مرجل الكواركات والجلونات. وبالتالي فهي بمثابة نوع من صور الأشعة السينية لأحشاء الكرة النارية.

مفاجأة مثالية

الصورة المادية التي تنبثق من التجارب الأربع متسقة ومثيرة للدهشة. لقد تحررت الكواركات والجلونات بالفعل من "الإغلاق" وتتصرف بشكل جماعي، ولو لجزء من الثانية. لكن تبين أن هذا الخليط الساخن يتصرف كالسائل وليس كالغاز المثالي الذي توقعه النظريون.

إن كثافات الطاقة التي يتم تحقيقها في الاصطدامات المباشرة بين نوى الذهب هائلة - 100 مرة أكبر من كثافة النوى نفسها، ويرجع ذلك أساسًا إلى التأثيرات النسبية. من وجهة نظر المختبر، تم تسطيح النواتين بواسطة تأثير نسبي إلى أقراص مسطحة للغاية من البروتونات والنيوترونات قبل الاصطدام مباشرة. ولذلك يتم ضغط كل طاقتها في حجم صغير جدًا عند لحظة الاصطدام. يقدر الفيزيائيون أن كثافة الطاقة الناتجة أكبر بـ 15 مرة على الأقل من تلك اللازمة لإطلاق الكواركات والجلونات. تبدأ الجزيئات على الفور بالتحليق في كل مكان، وتصطدم ببعضها البعض بشكل متكرر، مما يؤدي إلى توزيع الطاقة بشكل أقرب إلى التوزيع الحراري.

يمكن العثور على دليل على تكوين مثل هذا الوسط الساخن والمضغوط في الظاهرة المسماة "السحق النفاث". عندما يتصادم بروتونان عند طاقات عالية، فإن بعض الكواركات والجلونات الخاصة بهما قد تلتقي وجهًا لوجه تقريبًا وترتد إلى الخلف، مما يؤدي إلى تكوين زوج من التيارات الرقيقة (النفاثات) من الهادرونات، والتي تخرج من الخلف إلى الخلف من النقطة من الاصطدام في اتجاهين متعاكسين. ولكن في أجهزة الكشف عن فينيكس والنجوم، لوحظ نصف هذا الزوج فقط في الاصطدامات بين نوى الذهب. تشير النفاثات الوحيدة إلى أن الكواركات والجلونات تتصادم عند طاقات عالية. لكن أين الطائرة الثانية؟ ويبدو أن الكوارك أو الغلوون المرتد قد غاص في الوسط الساخن المضغوط الناتج، وتبددت طاقته العالية في مواجهاته مع كواركات وغلوونات أخرى منخفضة الطاقة. وهذا مشابه لإطلاق قذيفة على جسم مائي. يتم امتصاص كل طاقة المقذوف تقريبًا بواسطة جزيئات الماء البطيئة، ولا تتمكن من الخروج من الجانب الآخر.

التدفق البيضاوي

لقد تم بالفعل الحصول على تلميحات حول السلوك الشبيه بالسائل لوسط الكوارك-غلوون في المراحل الأولى من تجربة RHIC، عندما لوحظت ظاهرة تسمى "التدفق الإهليلجي". في التصادمات التي لا يصطدم فيها الجسيمان ببعضهما البعض تمامًا في المركز - كما يحدث في معظم الأحيان - تصل الهادرونات الناتجة عن الاصطدام إلى الكاشف في توزيع بيضاوي. يتم إخراج الهادرونات الأكثر نشاطًا داخل مستوى الاصطدام بدلاً من أن تكون متعامدة معه. يشير السلوك الإهليلجي إلى وجود اختلافات كبيرة في الضغط تؤثر على وسط الكوارك والغلوون، وأن تلك الكواركات والجلونات التي تشكل منها الهادرون، تصرفت بشكل جماعي، قبل أن تعود لتشكل الهادرون. لقد تصرفوا جميعًا مثل السائل وليس الغاز. إذا كان غازًا، فسوف تنبعث الهادرونات بتوزيع منتظم في جميع الاتجاهات.

ويشير السلوك السائل لوسط الكوارك-غلوون إلى أن التفاعلات بينهما في لحظات الانطلاق المسكر مباشرة بعد تكوينها كانت قوية نسبيا. على الرغم من أن التفاعلات بينهما تضعف (بسبب الحرية المقاربة في الديناميكا اللونية الكمومية)، يبدو أن تأثير الضعف تم تثبيطه من خلال الزيادة الهائلة في عدد الجسيمات المنطلقة حديثًا. وكأن تلك الجزيئات المقيدة قد تمكنت أخيرًا من التحرر من زنازينهم، لتكتشف أنهم محاصرون في بحر من السجناء الآخرين المزدحمين في ساحة السجن.

الحالة التي تم إنشاؤها حديثًا، حيث يكون الاقتران كبيرًا جدًا، هي بالضبط ما يحدث في السائل. وهناك تناقض عميق هنا مع الصورة النظرية الساذجة التي تم رسمها في البداية لوسط شبيه بالغاز توجد فيه تفاعلات ضعيفة - غاز مثالي تقريبا. تشير الخصائص الدقيقة لعدم التماثل الإهليلجي إلى أن هذا السائل يكاد يكون خاليًا من اللزوجة. ربما يكون هذا هو السائل الأكثر مثالية على الإطلاق.

إن حساب التفاعلات القوية التي تحدث في سائل الكواركات والجلونات، والتي تنضغط إلى كثافة لا يمكن تصورها تقريبًا، وتنفجر بسرعات قريبة من سرعة الضوء، ليس تحديًا سهلاً. أحد الأساليب لحل المشكلة هو "السير ورأسك على الحائط" وحساب حلول الديناميكا اللونية الكمومية (QCD) باستخدام صفائف ضخمة من المعالجات المخصصة لهذه المهمة. في هذا النهج، الذي يسمى نهج "شبكة QCD"، يتم تقريب المساحة من خلال شبكة من النقاط المنفصلة. سلسلة من التقريبات المتكررة على القيم المتطرفة تجعل العلماء أقرب وأقرب إلى الحلول الدقيقة لمعادلات QCD. وباستخدام هذه التقنية، تمكن المنظرون من حساب كميات مثل الضغط وكثافة الطاقة كدالة لدرجة الحرارة. وتبين أن كلاهما يزداد بشكل كبير عندما تصبح الهادرونات وسط كوارك-غلوون. ومع ذلك، فإن العيب البارز لهذه الطريقة هو أنها مناسبة للحالات الثابتة، عندما يكون الوسط في حالة توازن ديناميكي حراري، وليس للظروف المتغيرة بسرعة في "المعوضات الصغيرة" التي تم إنشاؤها في RHIC.

حتى الحسابات الأكثر تعقيدًا باستخدام طريقة الشبكة QCD فشلت في تحديد الخصائص الديناميكية مثل السحق النفاث أو اللزوجة. على الرغم من أنه من المتوقع أن تكون لزوجة نظام الجسيمات المتفاعل بقوة منخفضة، إلا أنه لا يمكن أن تكون صفرًا تمامًا، وذلك بسبب اعتبارات نظرية الكم. السؤال: ما مدى صغر اللزوجة؟ اتضح أنه سؤال صعب بشكل خاص.

لقد جاء الخلاص من اتجاه غير متوقع على الإطلاق: نظرية الأوتار للجاذبية الكمية. فرضية مثيرة للمنظر خوان مالديسانا من معهد الدراسات المتقدمة في برينستون، نيوجيرسي، ربطت بشكل مدهش بين نظرية الأوتار في الفضاء الخماسي الأبعاد، ونظرية تشبه QCD للجسيمات الموجودة في أربعة أبعاد، وهي نفس الأبعاد الأربعة التي بمثابة مظروف للفضاء الخماسي الأبعاد. النظريتان متكافئتان رياضيًا، على الرغم من أنهما تبدوان وكأنهما تصفان مجالين مختلفين تمامًا في الفيزياء.

عندما تصبح القوى في QCD قوية، تصبح التفاعلات في نظرية الأوتار المقابلة ضعيفة إلى حد ما، وبالتالي يسهل حسابها. خصائص مثل اللزوجة، التي يصعب حسابها في QCD، لها مكافئات في نظرية الأوتار يسهل تقديرها (في هذه الحالة، ما يعادل اللزوجة في نظرية الأوتار هو امتصاص ثقب أسود لموجات الجاذبية). باستخدام هذا النهج، من الممكن العثور على الحد الأدنى (أصغر قيمة ممكنة) للزوجة النوعية، والتي تبلغ حوالي عُشر لزوجة الهيليوم السائل. من المحتمل جدًا أن تكون نظرية الأوتار قادرة على مساعدتنا في فهم سلوك الكواركات والجلونات في الميكروثانية الأولى من الانفجار الأعظم.

تحديات المستقبل

والمثير للدهشة أنه تبين أن المادة الساخنة واللزجة التي واجهناها هي الأقرب من جميع السوائل المعروفة إلى الكمال. التحدي التجريبي الجديد الذي يواجه علماء الفيزياء في RHIC هو فهم كيف ولماذا تحدث هذه الظاهرة. إن ثروة البيانات المتدفقة من التجربة تجبر بالفعل المنظرين على إعادة فحص بعض الأفكار المقبولة فيما يتعلق بالمادة في الكون المبكر.

في الماضي، تعاملت معظم الحسابات مع الكواركات والجلونات الحرة كغاز مثالي وليس كسائل. نظرية QCD والحرية المقاربة ليست في خطر - لا توجد نتيجة تجريبية تتعارض مع المعادلات الأساسية. ما هو قابل للنقاش هو تقنيات التبسيط والافتراضات التي استخدمها المنظرون لاستخلاص النتائج من تلك المعادلات.

للإجابة على هذه الأسئلة، يحاول الباحثون الآن معرفة المزيد عن أنواع مختلفة من الكواركات المنبعثة في عمليات التشتت، وخاصة حول الكواركات الثقيلة. عندما تنبأوا بوجود الكواركات لأول مرة، في عام 1964، اعتقدوا أنها ستظهر في ثلاثة إصدارات: علوي، وأسفل، وغريب. يتم إنشاء وتدمير هذه الأنواع الثلاثة، التي تقل كتلة كل منها عن 0.15 جيجا إلكترون فولت، جنبًا إلى جنب مع شركائها من الكواركات المضادة، بأعداد متساوية في الاصطدامات في RHIC.

تم اكتشاف كواركين آخرين - الساحرة والقاع - في السبعينيات. كتلتها أكبر بكثير: حوالي 70 جيجا إلكترون فولت و1.6 جيجا إلكترون فولت على التوالي. بسبب الكتل الكبيرة، يلزم المزيد من الطاقة لتكوينها (حسب التكافؤ بين الكتلة والطاقة: E=mc5)، ولا يتم إنشاؤها إلا في المراحل الأولى من الانفجارات الصغيرة (عندما تكون كثافات الطاقة أعلى). ومع تردد أقل. إن ندرتها تجعلها مصدرًا مهمًا للمعلومات حول أنماط التدفق وعن الميزات الأخرى التي تميز المراحل الأولى من ذلك الانفجار الصغير.

تعتبر تجارب فينيكس وستار مناسبة لمثل هذا الفحص الدقيق، لأنها قادرة على اكتشاف الإلكترونات والجسيمات الأخرى التي تسمى الأيونات ذات الطاقات العالية، والتي تنشأ عادة في عمليات اضمحلال الكواركات الثقيلة. يتتبع الفيزيائيون حركة هذه الجسيمات ومنتجات الاضمحلال الأخرى إلى نقطة الأصل. وبهذه الطريقة يحصلون على المعلومات الأساسية حول الكواركات الثقيلة التي خلقتهم. قد يكون للكواركات الثقيلة أنماط وسلوكيات تدفق مختلفة عن أقاربها الأخف والأكثر شيوعًا. يمكن أن يساعدنا قياس هذه الاختلافات في فحص قيم اللزوجة الصغيرة المتوقعة.

الجسيمات "تذوب" في السائل

الكواركات من النوع السحري لها خاصية أخرى تساعد في فحص وسط الكوارك-غلوون. عادةً ما يتم تشكيل حوالي واحد بالمائة منها عن طريق الاقتران مع كوارك مضاد سحري، مما يشكل جسيمًا محايدًا يسمى J/psi. تبلغ المسافة بين الزوجين حوالي ثلث نصف قطر البروتون فقط، لذا فإن معدل تكوين J/psi يجب أن يتأثر بالقوة بين كواركين على مسافات قصيرة. ويتوقع المنظرون أن تكون هذه القوة ضعيفة، وذلك بسبب الإخفاء الذي يخلقه البحر المحيط من الكواركات الخفيفة والجلونات، مما سيؤدي إلى تباطؤ معدل إنتاج J/psi.

تظهر النتائج التي تم الحصول عليها مؤخرًا في فينيكس بالفعل أن جسيمات J/psi "تذوب" في السائل، على غرار الملاحظات السابقة في CERN، المختبر الأوروبي لفيزياء الجسيمات بالقرب من جنيف. في الواقع، توقع العلماء تباطؤًا أكبر في معدل إنتاج J/psi عند RHIC، بسبب الكثافات الأعلى. لكن النتائج الأولية تشير إلى وجود آلية منافسة، مثل إعادة تكوين جسيمات J/psi عند مثل هذه الكثافات. وستركز المزيد من القياسات على هذا اللغز من خلال البحث عن المزيد من أزواج الكواركات الثقيلة وقياس التباطؤ في معدل إنتاجها.

وهناك نهج آخر للسؤال: حاول رؤية سائل الكواركات والجلونات بمساعدة ضوءه. إن الحساء الساخن من هذه الجسيمات يجب أن يلمع لمدة قصيرة، مثل ضربة البرق، لأنه يبعث فوتونات ذات طاقات عالية، تخرج من الوسط. وكما يقدر علماء الفلك درجة حرارة نجم بعيد من طيف انبعاث الضوء، يحاول الفيزيائيون استخدام الفوتونات النشطة لتقدير درجة حرارة سائل كوارك-غلوون.

المشكلة هي أن قياس هذا الطيف أمر صعب للغاية، لأن العديد من الفوتونات الأخرى يتم إنشاؤها أيضًا وتنبعث في عمليات اضمحلال الهادرونات المحايدة من نوع بيون. على الرغم من أن هذه الفوتونات تنشأ بعد وقت طويل من اختفاء سائل الكوارك-غلوون وتحوله إلى هادرونات، إلا أنها تبدو كما هي عندما تصل إلى أجهزة الكشف.

يستعد العديد من الفيزيائيين الآن للحدود التالية في طاقة الجسيمات، وهي مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في CERN. وفي المعجل الذي من المقرر أن يبدأ تشغيله عام 2008، ستحدث تصادمات بين أزواج من أنوية الرصاص التي ستبلغ طاقتها المجمعة أكثر من مليون جيجا إلكترون فولت. ويشارك فريق دولي يضم أكثر من 1,000 عالم فيزياء في بناء كاشف "أليس" الضخم، الذي سيجمع بين قدرات كاشفي فينيكس وستار في تجربة واحدة. ستصل الضواغط الصغيرة التي سيتم إنشاؤها في LHC إلى كثافة طاقة أكبر بعدة مرات من تلك الموجودة في RHIC في جزء من الثانية، وسوف ترتفع درجات الحرارة فيها بسهولة فوق 10 تريليون درجة. وبذلك سيتمكن الفيزيائيون من محاكاة ودراسة الظروف التي سادت في الميكروثانية الأولى من الانفجار الكبير.

والسؤال الواضح هو: "هل سيستمر السلوك الشبيه بالسائل الذي لوحظ في RHIC في الظهور عند درجات الحرارة وكثافة الطاقة الأعلى في LHC؟" يعتقد بعض المنظرين أن القوة بين الكواركات ستضعف عندما تتجاوز الطاقة 1 جيجا إلكترون فولت، كما سيكون ممكنًا في مصادم الهادرون الكبير، وأن بلازما كوارك-غلوون ستبدأ أخيرًا في التصرف بشكل صحيح - مثل الغاز، وفقًا للتوقعات المبكرة. المنظرون الآخرون أقل تفاؤلا. ويعتقدون أن قوة QCD لا يمكن أن تتناقص بهذه السرعة عند الطاقات المعنية، وبالتالي فإن الكواركات والجلونات ستبقى مقترنة في الشكل السائل. وفي هذا الموضوع علينا أن ننتظر حكم التجربة الذي قد يحمل المزيد من المفاجآت.

الاصطدامات والكشف عن الجسيمات

يتكون RHIC من حلقتين بطول 3.8 كم (باللونين الأحمر والأخضر)، أو مسارات شعاعية، تعمل على تسريع نوى الذهب والنوى الثقيلة الأخرى إلى 99.99٪ من سرعة الضوء. تتقاطع مسارات الشعاع مع بعضها البعض في ستة أماكن. وفي أربعة منها، تصطدم النوى وجهاً لوجه، مما يؤدي إلى انفجارات صغيرة تحاكي الظروف التي سادت في الانفجار الكبير الذي خلق الكون. تقوم أجهزة الكشف، المسماة برامز وفينيكس وفوبوس وستار، بتحليل مسارات الجسيمات التي تطير أثناء الاصطدامات.

المعوضات الصغيرة

في أول 10 ميكروثانية من الانفجار الكبير، كان الكون يحتوي على جسيمات أولية تسمى الكواركات والجلونات في خليط رهيب. ومنذ ذلك الوقت، أصبحت الكواركات والجلونات محاصرة داخل البروتونات والنيوترونات التي تشكل نواة الذرات. على مدى السنوات الخمس الماضية، أعادت التجارب في مسرع الأيونات الثقيلة النسبية (RHIC) إنشاء نفس بلازما كوارك-غلوون على نطاق مجهري عن طريق اصطدام نوى الذهب مع بعضها البعض بسرعات قريبة من سرعة الضوء. ولمفاجأة الفيزيائيين الكبرى، فإن الوسط المتكون في هذه الانفجارات الصغيرة يشبه السائل المثالي أكثر مما يشبه الغاز. وتشير النتائج إلى ضرورة إعادة تقييم بعض نماذج الكون المبكر.

انفجار صغير من البداية إلى النهاية

يخلق RHIC ظروفًا مشابهة للميكروثانية الأولى من الانفجار الكبير عن طريق اصطدام نوى الذهب بسرعات قريبة من سرعة الضوء. في كل تصادم، أو انفجار صغير، هناك سلسلة من المراحل، وفي جزء من الثانية يتم إنشاء كرة نارية منتشرة من الغلوونات (الأخضر)، والكواركات، والكواركات المضادة. الكواركات والكواركات المضادة هي بشكل رئيسي علوية وسفلية وغريبة (زرقاء)، والقليل منها فقط ساحرة وسفلية (حمراء). تتحلل الكرة النارية أخيرًا إلى هادرونات (رمادية)، والتي تصل إلى الكاشف مع الفوتونات ومنتجات الاضمحلال الأخرى. ويتعرف العلماء على الخواص الفيزيائية لوسط الكوارك-غلوون من خواص الجسيمات التي تصل إلى الكاشف.