Main menu

Pages

علامات محيرة على "اضطراب" تغير الطور في تصادمات RHIC

 يدرس الفيزيائيون تصادم أيونات الذهب في المصادم الأيوني الثقيل النسبي (RHIC) ، وهو منشأة مستخدم تابعة لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية لأبحاث الفيزياء النووية في مختبر Brookhaven الوطني التابع لوزارة الطاقة ، ويشرعون في رحلة عبر مراحل المادة النووية - المواد التي تشكل نوى كل المادة المرئية في كوننا. يُظهر تحليل جديد للتصادمات التي أجريت عند طاقات مختلفة علامات محيرة لنقطة حرجة - تغيير في الطريقة التي تتحول بها الكواركات والغلوونات ، اللبنات الأساسية للبروتونات والنيوترونات ، من مرحلة إلى أخرى. ستساعد النتائج ، التي نُشرت للتو من قبل STAR Collaboration التابع لـ RHIC في مجلة Physical Review Letters ، الفيزيائيين على رسم تفاصيل هذه التغييرات في المرحلة النووية لفهم تطور الكون والظروف في نوى النجوم النيوترونية بشكل أفضل.



قال بيدانجا موهانتي من المعهد الوطني للعلوم والبحوث في الهند: "إذا تمكنا من اكتشاف هذه النقطة الحرجة ، فقد تجد خريطتنا للمراحل النووية - مخطط المرحلة النووية - مكانًا في الكتب المدرسية ، جنبًا إلى جنب مع الماء". مئات من علماء الفيزياء يتعاونون في البحث في RHIC باستخدام كاشف STAR المتطور.


كما لاحظ موهاني ، فإن دراسة المراحل النووية تشبه إلى حد ما التعرف على أشكال الماء الصلبة والسائلة والغازية ، ورسم خرائط لكيفية حدوث التحولات اعتمادًا على ظروف مثل درجة الحرارة والضغط. ولكن مع المادة النووية ، لا يمكنك وضع قدر على الموقد ومشاهدته يغلي. أنت بحاجة إلى مسرعات جسيمات قوية مثل RHIC لرفع الحرارة.


أعلى طاقات التصادم في RHIC "تذوب" المادة النووية العادية (النوى الذرية المكونة من البروتونات والنيوترونات) لتكوين مرحلة غريبة تسمى بلازما كوارك-غلوون (QGP). يعتقد العلماء أن الكون كله كان موجودًا في شكل QGP بعد جزء من الثانية من الانفجار العظيم - قبل أن يبرد وتترابط الكواركات معًا (ملتصقة بالغلونات) لتشكيل البروتونات والنيوترونات ، وفي النهاية ، نوى ذرية. لكن قطرات QGP الصغيرة التي تم إنشاؤها في RHIC يبلغ عرضها 10-13 سم فقط (أي 0.0000000000001 سم) وتستمر لمدة 10-23 ثانية فقط! وهذا يجعل من الصعب للغاية تحديد ذوبان وتجميد المادة التي يتكون منها عالمنا.


"بالمعنى الدقيق للكلمة إذا لم نحدد إما حدود المرحلة أو النقطة الحرجة ، لا يمكننا حقًا وضع [مرحلة QGP] هذه في الكتب المدرسية ونقول إن لدينا حالة جديدة من المادة ،" قال Nu Xu ، أحد نجوم عالم فيزياء في مختبر لورانس بيركلي الوطني التابع لوزارة الطاقة.


يشبه رسم خرائط تغيرات المرحلة النووية دراسة كيفية تغير الماء في ظل ظروف مختلفة من درجة الحرارة والضغط (صافي كثافة الباريون للمادة النووية). "تذوب" تصادمات RHIC البروتونات والنيوترونات لتكوين بلازما كوارك-غلوون (QGP). يستكشف فيزيائيو STAR تصادمات في طاقات مختلفة ، يديرون "مقابض" درجة الحرارة وكثافة الباريون ، للبحث عن علامات "نقطة حرجة". الائتمان: مختبر Brookhaven الوطني

تتبع انتقالات المرحلة


لتتبع التحولات ، استفاد علماء الفيزياء في STAR من التنوع المذهل لـ RHIC لتصادم أيونات الذهب (نوى ذرات الذهب) عبر مجموعة واسعة من الطاقات.


وقال شو: "RHIC هو المرفق الوحيد الذي يمكنه القيام بذلك ، حيث يوفر حزمًا من 200 مليار إلكترون فولت (GeV) وصولاً إلى 3 GeV. لا أحد يستطيع أن يحلم بمثل هذه الآلة الممتازة".


تؤدي التغيرات في الطاقة إلى رفع درجة حرارة الاصطدام صعودًا وهبوطًا وتختلف أيضًا في كمية تُعرف باسم كثافة الباريون الصافية التي تشبه إلى حد ما الضغط. بالنظر إلى البيانات التي تم جمعها خلال المرحلة الأولى من "مسح طاقة الحزمة" في RHIC من 2010 إلى 2017 ، قام علماء الفيزياء في STAR بتتبع الجسيمات المتدفقة عند كل طاقة تصادم. قاموا بإجراء تحليل إحصائي مفصل للعدد الصافي للبروتونات المنتجة. توقع عدد من المنظرين أن هذه الكمية ستظهر تقلبات كبيرة لكل حدث على حدة مع اقتراب النقطة الحرجة.


يأتي سبب التقلبات المتوقعة من الفهم النظري للقوة التي تحكم الكواركات والغلونات. تقترح هذه النظرية ، المعروفة باسم الديناميكا اللونية الكمومية ، أن الانتقال من المادة النووية الطبيعية (البروتونات والنيوترونات "الهادرونيك") إلى QGP يمكن أن يحدث بطريقتين مختلفتين. في درجات الحرارة المرتفعة ، حيث يتم إنتاج البروتونات والبروتونات المضادة في أزواج وتكون كثافة الباريون الصافية قريبة من الصفر ، يمتلك الفيزيائيون دليلًا على وجود تقاطع سلس بين المراحل. يبدو الأمر كما لو أن البروتونات تذوب تدريجياً لتشكل QGP ، مثل الزبدة التي تذوب تدريجياً على طاولة في يوم دافئ. ولكن في الطاقات المنخفضة ، فإنهم يتوقعون ما يسمى بمرحلة انتقالية من الدرجة الأولى - تغيير مفاجئ مثل غليان الماء عند درجة حرارة محددة حيث تهرب الجزيئات الفردية من الإناء لتصبح بخارًا. يتوقع المنظرون النوويون أنه في انتقال طور QGP إلى مادة هادرونيك ، يجب أن يختلف صافي إنتاج البروتون بشكل كبير مع اقتراب الاصطدامات من نقطة التحول هذه.


قال شو "عند الطاقة العالية ، هناك مرحلة واحدة فقط. النظام ثابت إلى حد ما ، طبيعي". "ولكن عندما نتحول من طاقة عالية إلى طاقة منخفضة

y ، يمكنك أيضًا زيادة كثافة الباريون الصافية ، وقد يتغير هيكل المادة أثناء مرورك بمنطقة انتقال الطور.


عندما قام الفيزيائيون بتخفيض طاقة الاصطدام في RHIC ، توقعوا رؤية تقلبات كبيرة لكل حدث على حدة في قياسات معينة مثل صافي إنتاج البروتون - وهو تأثير مشابه للاضطراب الذي تتعرض له الطائرة عند دخول بنك من السحب - مثل دليل على "نقطة حرجة" في المرحلة الانتقالية النووية. كشفت التحليلات الإحصائية عالية المستوى للبيانات ، بما في ذلك الانحراف (التفرطح) ، عن تلميحات محيرة لمثل هذه التقلبات. الائتمان: مختبر Brookhaven الوطني

وأضاف: "الأمر يشبه تمامًا عندما تركب طائرة وتتعرض للاضطراب". "ترى التقلبات — بوم ، بوم ، بوم. ثم ، عندما تتجاوز الاضطراب — مرحلة التغييرات الهيكلية — تعود إلى الوضع الطبيعي في الهيكل أحادي الطور.


في بيانات تصادم RHIC ، فإن علامات هذا الاضطراب ليست واضحة مثل الأطعمة والمشروبات التي ترتد عن طاولات الصواني في الطائرة. كان على علماء الفيزياء في STAR إجراء ما يُعرف باسم "دالة الارتباط الأعلى" التحليل الإحصائي لتوزيعات الجسيمات - يبحثون عن أكثر من مجرد متوسط ​​وعرض المنحنى الذي يمثل البيانات لأشياء مثل مدى عدم تناسق هذا التوزيع وانحرافه.


يقول العلماء إن التذبذبات التي يرونها في هذه الرتب الأعلى ، لا سيما الانحراف (أو التفرطح) ، تذكرنا بتغير طور مشهور آخر لوحظ عندما يصبح ثاني أكسيد الكربون السائل الشفاف فجأة غائمًا عند تسخينه. يأتي هذا "البريق الحرج" من التقلبات الهائلة في كثافة ثاني أكسيد الكربون - اختلافات في مدى تماسك الجزيئات بإحكام.


قال موهانتي: "في بياناتنا ، تشير التذبذبات إلى حدوث شيء مثير للاهتمام ، مثل البريق".


ومع ذلك ، على الرغم من التلميحات المحيرة ، يقر علماء STAR بأن نطاق عدم اليقين في قياساتهم لا يزال كبيرًا. يأمل الفريق في تضييق نطاق عدم اليقين هذا لإبراز اكتشافهم للنقطة الحرجة من خلال تحليل مجموعة ثانية من القياسات التي تم إجراؤها من العديد من التصادمات خلال المرحلة الثانية من مسح طاقة الحزمة الخاص بمركز RHIC ، من عام 2019 حتى عام 2021.


شارك تعاون STAR بأكمله في التحليل ، يلاحظ Xu ، مع مجموعة معينة من الفيزيائيين - بما في ذلك Xiaofeng Luo (وطالبه ، Yu Zhang) ، Ashish Pandav ، و Toshihiro Nonaka ، من الصين والهند واليابان ، على التوالي - الاجتماع أسبوعيًا مع العلماء الأمريكيين (عبر العديد من المناطق الزمنية والشبكات الافتراضية) لمناقشة النتائج وتحسينها. يعد العمل أيضًا تعاونًا حقيقيًا بين التجريبيين مع المنظرين النوويين حول العالم وعلماء فيزياء المسرعات في RHIC. ابتكرت المجموعة الأخيرة ، في قسم مسرع المصادم في Brookhaven Lab ، طرقًا لتشغيل RHIC أقل بكثير من طاقتها التصميمية مع زيادة معدلات الاصطدام إلى الحد الأقصى لتمكين جمع البيانات الضرورية عند طاقات تصادم منخفضة.


وقال شو: "نحن نستكشف منطقة مجهولة". وقال "لم يحدث هذا من قبل. لقد بذلنا الكثير من الجهود للسيطرة على البيئة وإجراء التصحيحات ، ونحن ننتظر بفارغ الصبر الجولة التالية من البيانات الإحصائية الأعلى".

reactions

تعليقات