چگونه کشف «پیوندگاه گلوئونی» در پروتون‌ها، قوانین فیزیک ذرات بنیادی را بازنویسی می‌کند

هر چیزی که با آن در تعامل هستید—بدن خودتان، دستگاهی که در حال خواندن این مطلب با آن هستید، ستارگان در آسمان شب—از ماده‌ای ساخته شده است که از هم نمی‌پاشد. برای دهه‌ها، پایداری جهان به یک مدل ساده و زیبا نسبت داده می‌شد که در هر کلاس فیزیک دبیرستانی تدریس می‌شد: پروتون از سه ذره کوچک به نام کوارک ساخته شده است، و این کوارک‌ها خاصیت بنیادی را حمل می‌کنند که ماده را دست‌نخورده نگه می‌دارد.[1]

اما این تصویر کتاب درسی همیشه یک داستان ساختگی مؤدبانه بوده است—یک ساده‌سازی مناسب برای بازاریابی از یک واقعیت کوانتومی بسیار آشفته‌تر. اکنون، داده‌های سخت سرانجام به نظریه رسیده‌اند. در آگوست ۲۰۲۶، همکاری استار (STAR)—یک تیم بین‌المللی متشکل از بیش از ۷۰۰ محقق—یک مطالعه مهم را در مجله «ساینس» منتشر کرد که قوانین فیزیک ذرات را به طور بنیادی بازنویسی می‌کند.[1][4]

محققان کشف کردند که هویت تعیین‌کننده یک پروتون—یک قانون حسابداری جهانی سختگیرانه که به عنوان «عدد باریونی» شناخته می‌شود—اصلاً توسط سه کوارک ظرفیتی حمل نمی‌شود. در عوض، این هویت توسط یک شبکه پنهان و Yشکل از ذرات به نام «پیوندگاه گلوئونی» حمل می‌شود که آن کوارک‌ها را به هم متصل می‌کند.[2][3]

برای درک اینکه چرا این یک تغییر لرزه‌ای است، باید به کاری که عدد باریونی واقعاً انجام می‌دهد نگاه کنیم. در فیزیک کوانتوم، عدد باریونی خاصیتی است که ماده را از پادماده متمایز می‌کند و تضمین می‌کند که پروتون‌ها به طور خودبه‌خودی متلاشی نشوند. این دلیلی است که هسته‌های اتمی می‌توانند تشکیل شوند و در طول میلیاردها سال پایدار بمانند.[3][5]

به طور سنتی، دانشمندان فرض می‌کردند که عدد باریونی مثبت یک پروتون به طور مساوی بین سه کوارک ظرفیتی اصلی آن تقسیم شده است، به طوری که هر کدام یک سوم بار را حمل می‌کنند. این شبیه به نحوه توزیع بار الکتریکی در داخل پروتون بود. اما کرومودینامیک کوانتومی (QCD)—نظریه ریاضی پیچیده‌ای که نیروی هسته‌ای قوی را توصیف می‌کند—داستان متفاوتی را نشان می‌داد.[2]

در داخل یک پروتون واقعی، اوضاع به هیچ وجه مرتب نیست. این یک سوپ کوانتومی شلوغ است که در آن کوارک‌ها و پادکوارک‌ها دائماً از خلأ بیرون می‌آیند و ناپدید می‌شوند، و همه توسط دریایی از گلوئون‌های در حال تعامل به هم متصل شده‌اند. گلوئون‌ها «چسب» واقعی نیروی قوی هستند.[2][4]

از اوایل دهه ۱۹۷۰، فیزیکدانان نظری پیشنهاد کردند که گلوئون‌هایی که سه کوارک اصلی را به هم متصل می‌کنند، ممکن است یک ساختار توپولوژیکی خاص را تشکیل دهند: یک پیوندگاه باریونی Yشکل. سپس، در سال ۱۹۹۶، دیمیتری خارزف، فیزیکدان نظری، چیزی رادیکال را پیشنهاد کرد: چه می‌شود اگر این پیوندگاه، و نه خود کوارک‌ها، حامل واقعی عدد باریونی باشد؟[1][2]

آزمایش این فرضیه نیازمند جهش‌های تکنولوژیکی عظیمی بود. سرانجام، ساخت برخورددهنده یون سنگین نسبیتی (RHIC) در آزمایشگاه ملی بروکهیون وزارت انرژی و آشکارساز ۱۲۰۰ تنی استار (STAR) برای ثبت شواهد لازم بود.[2][3]

استراتژی تجربی تیم استار بر یک جداسازی ماهرانه متکی بود که زمانی رخ می‌دهد که پروتون‌ها تقریباً تا سرعت نور شتاب می‌گیرند. همانطور که پروتون‌ها انرژی عظیمی به دست می‌آورند، گلوئون‌های داخلی آنها تقسیم و تکثیر می‌شوند. هر گلوئون منفرد سهم کمتری از تکانه کلی رو به جلوی پروتون را حمل می‌کند، در حالی که سه کوارک ظرفیتی همچنان بخش عمده انرژی جنبشی را حمل می‌کنند.[2]

هنگامی که این پروتون‌های نزدیک به سرعت نور به شدت با هم برخورد می‌کنند، متوقف کردن کوارک‌های ظرفیتی سریع به طرز باورنکردنی دشوار است. آنها به سادگی مستقیماً در امتداد لوله پرتو حرکت می‌کنند و مسیر رو به جلوی خود را ادامه می‌دهند. اما پیوندگاه گلوئونی Yشکل کندتر، عقب می‌ماند و در مرکز برخورد متوقف می‌شود.[1][3]

این جداسازی به فیزیکدانان اجازه داد تا ردیابی کنند که عدد باریونی واقعاً به کجا رفته است. اگر کوارک‌ها عدد باریونی را حمل می‌کردند، باید همراه با بار الکتریکی پروتون، در امتداد لوله پرتو حرکت می‌کرد. در عوض، محققان یک عدم تطابق خیره‌کننده را مشاهده کردند.[1][5]

بقایای برخورد حاوی تقریباً دو برابر باریون‌های جدیدی بود که می‌توانست توسط بار الکتریکی کوارک‌های متوقف شده توضیح داده شود. عدد باریونی به طور مستقل از بار الکتریکی حرکت کرده بود و ثابت کرد که پیوندگاه گلوئونی متوقف شده حامل واقعی است.[2][5]

آنچه در ادامه در برخورد رخ می‌دهد، نمایش عجیب و غریبی از مکانیک کوانتومی است. هنگامی که پیوندگاه گلوئونی Yشکل به شدت متوقف می‌شود، انرژی آن باید به جایی برود. این پیوندگاه، تقریباً مانند یک آهنربای Yشکل عمل می‌کند، به خلأ کوانتومی دست می‌یابد و سه کوارک کاملاً جدید را بیرون می‌کشد.[1]

این کوارک‌های تازه ظاهر شده به پیوندگاه متصل می‌شوند تا یک باریون کاملاً جدید را تشکیل دهند، که به صورت جانبی، عمود بر پرتو اصلی، به بیرون پرتاب می‌شود. در همین حال، کوارک‌های ظرفیتی اصلی که در امتداد لوله حرکت کردند، با شرکای جدید جفت می‌شوند تا ذرات دو کوارکی به نام مزون را تشکیل دهند.[2]

مشاهده اینکه تعداد زیادی باریون جدید عمود بر خط پرتو ظاهر می‌شوند، پشتیبانی قانع‌کننده و غیرقابل انکاری را برای مدل پیوندگاه گلوئونی فراهم می‌کند. «چسب» خود خاصیت حیاتی ماده را منتقل می‌کند و فرض دیرینه مبنی بر اینکه کوارک‌ها تمام کارهای سنگین را انجام می‌دهند، زیر و رو می‌کند.[3][4]

این کشف درک بشر را از سطح پایه «ترکیب کوارکی» به درک عمیق‌تری از «ساختار توپولوژیکی جهانی کوارک-گلوئون» ارتقا می‌دهد. این ثابت می‌کند که ساختار غیرپرتوربتی میدان گلوئون همان چیزی است که اعداد کوانتومی بنیادی باریون‌ها را تعریف می‌کند.[4]

فراتر از محدوده‌های تونل RHIC، این یافته پیامدهای عمیقی برای کیهان‌شناسی دارد. از زمان بیگ بنگ، تعداد کل پروتون‌ها و نوترون‌ها در جهان به شدت حفظ شده است. فیزیکدانان با شناسایی مکانیسم واقعی پشت این بقا، یک گام به درک اینکه چرا جهان ما تحت سلطه ماده پایدار است و نه تبدیل شدن به تشعشع، نزدیک‌تر می‌شوند.[2][3]