مشاهده تشکیل هستههای سبک از برخوردهای پرانرژی ممکن است به شکار ماده تاریک کمک کند.
برخورد ذرات در برخورددهنده بزرگ هادرون (LHC) میتواند به دمایی بیش از صدهزار برابر داغتر از مرکز خورشید برسد. با این حال، به شکلی شگفتانگیز، هستههای اتمی سبک و پادمادهٔ آنها از این محیط سوزان کاملاً سالم بیرون میآیند؛ در حالی که پیوندهایی که این هستهها را کنار هم نگه میدارند، در دماهای بسیار پایینتر باید از هم بپاشند.
فیزیکدانان دههها روی این معما سرگردان بودند، اما امروز همکاری ALICE شواهد تجربی قطعی ارائه کرد و نتایج آن در مجله Nature منتشر شد.
محققان ALICE دئوترونها (یک پروتون + یک نوترون) و پاددئوترونها (یک پادپروتون + یک پادنوترون) تولیدشده در برخوردهای پرانرژی پروتون–پروتون در LHC را بررسی کردند. آنها دریافتند که تقریباً ۹۰٪ این هستهها مستقیماً از لحظه برخورد به وجود نمیآیند، بلکه از طریق همجوشی هستهای ذراتی که از برخورد خارج میشوند ساخته میشوند؛ به طوری که یکی از اجزای تشکیلدهندهٔ آنها از واپاشی یک ذره بسیار کوتاهعمر به دست میآید.
مارکو فان لوون، سخنگوی آزمایش ALICE، گفت:
«این نتایج یک نقطه عطف برای این حوزه به شمار میروند. آنها شکاف بزرگی را در درک ما از چگونگی تشکیل هستهها از کوارکها و گلوئونها پر میکنند و ورودی ضروری برای نسل بعدی مدلهای نظری فراهم میآورند.»
پیامدها برای اخترفیزیک و ماده تاریک
این یافتهها نه تنها یک معمای دیرینه در فیزیک هستهای را حل میکنند، بلکه میتوانند پیامدهای گستردهای برای اخترفیزیک و کیهانشناسی داشته باشند. هستههای سبک و پادهستهها همچنین در برهمکنش پرتوهای کیهانی با محیط میانستارهای تولید میشوند و ممکن است در فرآیندهایی مرتبط با ماده تاریکی که سراسر کیهان را فرا گرفته است، ایجاد شوند. با ساخت مدلهای قابل اعتماد برای تولید این هستهها و پادهستهها، فیزیکدانان میتوانند دادههای پرتوهای کیهانی را بهتر تفسیر کنند و به دنبال سیگنالهای احتمالی ماده تاریک بگردند.
مشاهده ALICE پایه تجربی محکمی برای مدلسازی تشکیل هستههای سبک در فضا فراهم میکند. این نتایج نشان میدهد که بیشتر هستههای سبک مشاهدهشده در یک انفجار حرارتی لحظهای ایجاد نمیشوند، بلکه از طریق زنجیرهای از واپاشیها و همجوشیها در حین سرد شدن سیستم به وجود میآیند.
روشهای تجربی و یافتههای کلیدی
همکاری ALICE با تحلیل دئوترونهای تولیدشده در برخوردهای پروتون–پروتون ثبتشده در دوره دوم اجرای LHC (Run 2) به این نتایج رسید. محققان تکانهٔ دئوترونها و پیونها (ذره دیگری که از جفت کوارک–پادکوارک ساخته شده) را اندازهگیری کردند و همبستگی قوی بین تکانه پیون و دئوترون یافتند؛ این نشان میدهد که پیون و یکی از نوکلئونهای دئوترون (پروتون یا نوترون) در واقع از واپاشی یک ذره کوتاهعمر حاصل شدهاند.
آزمایش ALICE چیست و چگونه کار میکند؟
آلیس (ALICE) یکی از چهار آزمایش بزرگ در برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) در سرن است؛ پروژهای بینالمللی با مشارکت حدود دو هزار پژوهشگر از دهها کشور. هدف آن مطالعه یکی از شگفتانگیزترین حالتهای ماده است: پلاسمای کوارک–گلوئون؛ حالتی که تنها چند میلیونیم ثانیه پس از مهبانگ در سراسر کیهان وجود داشته است.
هدف اصلی آلیس چیست؟
در شرایط معمول، پروتونها و نوترونها از کوارکهایی تشکیل شدهاند که بهوسیلهٔ گلوئونها سفتوسخت کنار هم نگه داشته میشوند. اما در دماها و فشارهای بسیار بالا این ساختار از هم میپاشد و کوارک و گلوئونها آزاد میشوند. آلیس این حالت «ماده نخستین» را بازسازی و اندازهگیری میکند تا به پرسشهایی بنیادی پاسخ دهد:
- مادهٔ معمولی چگونه از جهان آغازین پدید آمد؟
- نیروی قوی هستهای در بالاترین انرژیها چگونه رفتار میکند؟
- چرا پلاسما رفتاری شبیه یک مایع تقریباً کامل دارد؟
آلیس چگونه کار میکند؟ (توضیح ساده)
در LHC هستههای سنگین سرب، الکترونزدایی میشوند و در دو مسیر مخالف تقریباً تا سرعت نور شتاب میگیرند. این دو پرتو در مرکز آشکارساز آلیس با هم برخورد میکنند و نقطهٔ برخورد، برای لحظهای بسیار کوتاه، به دماهایی صدها هزار برابر داغتر از مرکز خورشید میرسد.
در این لحظهٔ فوقالعاده داغ، پروتونها و نوترونها «ذوب» شده و پلاسما تشکیل میشود. سپس با سرد شدن سریع، هزاران ذرهٔ جدید از برخورد بیرون میپراکند. آلیس این ذرهها را با لایههای مختلف آشکارساز ثبت و تحلیل میکند؛ لایههایی که مانند یک:
- دوربین سهبعدی مسیر حرکت ذرات را دنبال میکند،
- کالریمتر انرژی آنها را اندازه میگیرد،
- و آشکارسازهای تخصصی، انواع مختلف ذرات را از هم تشخیص میدهند.
هر برخورد دادهای عظیم تولید میکند. مزرعههای بزرگ پردازشی (CPU و GPU) دادهها را غربال و گزینش میکنند تا رویدادهای مهم برای تحلیل علمی ذخیره شوند.
چه چیزی آلیس را از دیگر آزمایشهای LHC متفاوت میکند؟
در حالیکه آزمایشهایی مثل ATLAS و CMS بیشتر به کشف ذرات جدید (مانند بوزون هیگز) و آزمودن مدل استاندارد میپردازند، آلیس بهطور ویژه برای برخوردهای یونهای سنگین طراحی شده است.
آلیس تواناییهای منحصر به فردی دارد:
- ثبت دهها هزار ذره در یک برخورد سنگین،
- اندازهگیری ذرات کمانرژی که رفتار جمعی پلاسما را نشان میدهند،
- تشخیص دقیق بسیاری از گونههای ذرهای.
دستاوردهای مهم آلیس تاکنون
- کشف اینکه پلاسما، یک مایع فوقالعاده کمچسبندگی است.
- ثبت دماهای چند تریلیون درجه؛ گرمترین مادهٔ ساختهشده روی زمین.
- مشاهدهٔ اتلاف انرژی کوارکهای سنگین هنگام عبور از پلاسما و بررسی چگالی و رفتار آن.
چرا این تحقیقات برای ما مهم است؟
آلیس به دنبال ساخت ابزارهای کاربردی نیست؛ بلکه بر پرسشهایی بنیادی دربارهٔ ماهیت جهان تمرکز دارد:
- جهان در نخستین لحظههای پس از مهبانگ چگونه بوده؟
- اجزای سازندهٔ ماده در شرایط افراطی چه رفتاری دارند؟
- آیا نظریههای ما دربارهٔ نیروی قوی کاملاند یا هنوز جای کشف وجود دارد؟
در مسیر این تحقیقات، فناوریهای پیشرفتهٔ آشکارسازی، پردازش داده و محاسبات علمی توسعه مییابند؛ فناوریهایی که بعدها در پزشکی، تصویربرداری و صنایع نو کاربرد پیدا میکنند.
چند نکتهٔ کلیدی
- مکان: سرن، در مرز فرانسه و سوئیس.
- شتابدهنده: برخورددهندهٔ هادرونی بزرگ (LHC).
- هدف اصلی: مطالعهٔ پلاسما و نیروی قوی هستهای در شرایط افراطی.
- نوع برخورد: عمدتاً برخورد یونهای سرب و همچنین پروتون–سرب و پروتون–پروتون.
- همکاری علمی: حدود ۱۹۰۰ پژوهشگر از بیش از ۱۰۰ مؤسسهٔ تحقیقاتی.
این ذره کوتاهعمر، یعنی رزونانس دلتا، در حدود یک تریلیونیومِ تریلیونیوم ثانیه به یک پیون و یک نوکلئون (پروتون یا نوترون) واپاشیده میشود. سپس نوکلئون میتواند با نوکلئونهای نزدیک دیگر همجوشی کند و هسته سبک مانند دئوترون بسازد. این همجوشی هستهای در فاصله کمی از نقطه اصلی برخورد و در محیطی بهمراتب خنکتر رخ میدهد؛ به همین دلیل هسته تازهساخته شانس بسیار بیشتری برای بقا دارد. این نتایج هم برای ذرات معمولی و هم برای پادذرات مشاهده شد و نشان داد که همان مکانیسم بر تشکیل دئوترون و پاددئوترون حاکم است.
الکساندر فیلیپ کالوایت، هماهنگکننده فیزیک ALICE، اظهار داشت:
«این کشف توانایی منحصربهفرد آزمایش ALICE را در مطالعه نیروی قوی هستهای در شرایط افراطی به نمایش میگذارد.»
