نظریه اینشتین و حالت عجیب ماده

 
 

نظریه اینشتین حالت عجیبی از ماده را پیش‌بینی می‌کند

برگردانسحر الله وردی

 

بیگ بنگ: نظریه اینشتین حالت عجیبی از ماده را پیش‌بینی می‌کند. آیا این حالت در بزرگترین خردکننده‌ی اتم جهان کمین کرده است؟ وقتی ذرات بهم برخورد نکنند اما در بزرگترین شتاب‌دهنده‌ی ذره‌ی جهان گم شوند، چه اتفاقی می‌افتد؟ فیزیک مدرن!

به گزارش بیگ بنگ، تحقیقات در مورد شکل اسرارآمیزی از ماده که در نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین پیش‌بینی شده بود محدود شده است. پس از گذشت بیش از یک دهه جستجو، دانشمندان در بزرگترین برخورد دهنده‌ ذره‌ی جهان، معتقدند که در آستانه‌ی یافتن آن قرار دارند. اما محققان در ذراتِ منفجر شده‌ای که با سرعت نزدیک به نور بهم برخورد می‌کنند به دنبال آن نمی‌گردند.

در عوض، فیزیکدانان در برخورد دهنده‌ هادرونی بزرگ (یک حلقه‌ی ۲۷ کیلومتری در زیر زمین در نزدیکی مرز بین فرانسه و سوئیس) به دنبال این مادۀ گمشده به نام میعانات شیشه‌ایِ رنگ می‌گردند. آنها این مسئله را بررسی می‌کنند که چه اتفاقی می‌افتد وقتی ذرات به هم برخورد نمی‌کنند، اما در عوض از نزدیکی یکدیگر عبور می‌کنند.

در مدل استاندارد فیزیک، یعنی نظریه‌ای که باغ‌وحشی از ذرات زیراتمی را توصیف می‌کند، ۹۸% از ماده‌ی مرئی در جهان توسط ذرات بنیادی به نام گلوئون‌ها تشکیل شده است. این ذرات مسئول ایجاد نیرویی هستند که کوارک‌ها را به هم می‌چسباند تا پروتون‌ها و نوترون‌ها، تشکیل شوند. وقتی پروتون‌ها تا سرعت ِ نزدیک به نور شتاب پیدا کنند، یک پدیده‌ی عجیب رخ می‌دهد: غلظت(تراکم) گلوئون‌ها درون پروتون‌ها به سرعت بالا می‌رود.

دنیل تاپیا تاکاکی، دانشیار اخترفیزیک در دانشگاه کانزاس گفت: در این مواقع، گلون‌ها به جفت گلون‌ها با انرژی پایین‌تری تبدیل می‌شوند و این گلون‌ها خودشان را تقسیم می‌کنند. بعضی مواقع، تقسیم گلون‌ها درون پروتون به محدوده‌ای می‌رسد که تکثیر آنها دیگر افزایش پیدا نمی‌کند. چنین حالتی میعانات شیشه‌ایِ رنگ نامیده می‌شود، یک حالت فرضی از ماده که تصور می‌شود در پروتون‌های با انرژی بسیار بالا و همچنین در هسته‌های سنگین وجود داشته باشد.

بر اساس آزمایشگاه ملی بروکهاون، این میعانات می‌توانند بسیاری از اسرار حل نشده‌ی فیزیک را توضیح دهند، مثل نحوه‌ی تشکیل ذرات در برخوردهای پرانرژی یا نحوۀ توزیع ماده درون ذرات. هرچند، اثبات وجود آن برای چندین دهه دانشمندان را سردرگم کرده بود. اما در سال ۲۰۰۰، فیزیکدانان در برخورد دهنده‌ یون‌‌های سنگین نسبیتی در بروک‌هاون، اولین نشانه‌های وجودِ میعانات شیشه‌ایِ رنگ را کشف کردند.

وقتی آزمایشگاهِ مورد نظر اتم‌های طلا که الکترون‌هایشان برداشته شده بود را بهم برخورد داد، یک سیگنال عجیب در ذراتی که از برخوردها خارج شده بودند، مشاهده شد که نشان می‌داد پروتون‌های اتم‌ها با گلوئون‌ها بسته‌بندی شده و شروع به تشکیل میعانات شیشه‌ایِ رنگ کرد. آزمایشات بیشتر با برخورد یون‌های سنگین در LHC نتایج مشابهی را ارائه دادند. هرچند، برخورد پروتون‌ها با یکدیگر در سرعت‌های نسبیتی تنها می‌تواند یک نگاه اجمالی زودگذر از قسمت‌های داخلی پروتون‌ها قبل از انفجار شدید ذرات زیراتمی ارائه دهد. جستجوی درون پروتون‌ها به رویکرد ظریف‌تری نیاز دارد.

وقتی ذرات بارداری مثل پروتون‌ها تا سرعت‌های بالا شتاب پیدا می‌کنند، میدان‌های الکترومغناطیسی قوی را به وجود می‌آورند و انرژی را به شکل پروتون‌ها یا ذرات نور آزاد می‌کنند. (به لطف ماهیت دوگانۀ نور، که هم موج و هم ذره هست.) این نشتی‌های انرژی زمانی بصورت یک عارضه‌ی ناخواسته‌ شتاب‌دهنده‌های ذرات، نادیده گرفته می‌شدند؛ اما فیزیکدانان روش‌های جدیدی را برای استفاده از پروتون‌های پرانرژی به نفع خودشان یاد گرفته‌اند.

اگر پروتون‌ها در شتاب‌دهنده از کنار یکدیگر عبور کنند، طوفانی از پروتون‌ها تشکیل می‌شود که می‌تواند باعث برخوردهای پروتون با پروتون شود. این برخوردهای به اصطلاح فوق‌محیطی کلید درک عملکردهای درونی پروتون‌های پرانرژی هستند. تاپیا تاکاکی گفت: وقتی یک موج نور پرانرژی به یک پروتون برخورد می‌کند، ذرات تمام انواع ذرات را بدون شکستن پروتون تولید می‌کند. این ذرات توسط ردیاب ما ثبت شدند و ما را قادر ساختند تا یک تصویر ِ به طور بی‌سابقه‌ای باکیفیت از درون پرتون بدست آوریم.

تاپیا تاکاکی و گروه بین‌المللی از دانشمندان اکنون از این روش برای ردیابی میعانات شیشه‌ایِ رنگ استفاده می‌کنند. این تیم برای اولین‌بار توانست تراکم گلوئون‌ها را در چهار سطح انرژی مختلف به طورغیرمستقیم اندازه‌گیری کند. در بالاترین سطح، آنها شواهدی را یافت کردند مبنی بر اینکه میعانات شیشه‌ایِ رنگ بتازگی شروع به شکل‌گیری کرده است.

ویکتور گونکالوس، استاد فیزیک در دانشگاه فدرال پلوتاس در برزیل و یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: نتایج تجربی بسیار هیجان‌انگیزند و اطلاعاتی دربارۀ دینامیک گلوئون در پروتون ارائه می‌دهند، اما سئوالات نظری زیادی وجود دارد که هنوز پاسخ داده نشده‌اند. فعلأ وجود میعانات شیشه‌ایِ رنگ بعنوان یک راز باقی مانده است. محققان نتایج اولیۀ مطالعه‌شان را در مجله‌ فیزیکی اروپایی C منتشر کردند.