فیزیکدانان سرن شواهدی از اشباع گلوئون در هسته اتمی پیدا کردند

فیزیکدانان در حال کار با آزمایش ALICE در برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) سرن، شواهد قانع‌کننده‌ای کشف کرده‌اند مبنی بر اینکه گلوئون‌ها—ذرات زیراتمی مسئول پیوند دادن کوارک‌ها به یکدیگر—در داخل هسته‌های اتمی به یک حالت متراکم و جمعی می‌رسند. این همکاری بین‌المللی با اندازه‌گیری تولید ذرات J/ψ در طول برخوردهای نزدیک به هم یون‌های سرب، با موفقیت ساختار داخلی هسته را با وضوح میکروسکوپی بی‌سابقه‌ای بررسی کرد. این یافته‌ها که اخیراً در مجله Physical Review Letters منتشر شده‌اند، پیش‌بینی چند دهه‌ای کرومودینامیک کوانتومی معروف به «اشباع گلوئون» را تأیید می‌کنند. این دستاورد ابزار دقیق‌تری را برای مطالعه نحوه عملکرد نیروهای بنیادی در شدیدترین مقیاس‌های انرژی در اختیار محققان قرار می‌دهد و تصویر واضح‌تری از معماری زیراتمی که زیربنای تمام ماده مرئی است، ارائه می‌کند.[1][2]

در حالی که کوارک‌ها اغلب در علوم عامه‌پسند به عنوان بلوک‌های سازنده بنیادی ماده مورد ستایش قرار می‌گیرند، در واقع کمتر از یک درصد جرم پروتون‌ها و نوترون‌ها را تشکیل می‌دهند. ۹۹ درصد باقیمانده جرم جهان مرئی—از اتم‌های بدن انسان گرفته تا هسته‌های متراکم ستارگان دور—مستقیماً از انرژی حمل شده توسط گلوئون‌ها و نیروی هسته‌ای قوی که واسطه آن هستند، نشأت می‌گیرد. با وجود سهم عظیم آن‌ها در جرم کیهان، رفتار جمعی این حامل‌های نیرو یکی از مهم‌ترین اسرار حل نشده در فیزیک ذرات مدرن باقی مانده است. درک دقیق اینکه این میدان‌های شدید گلوئونی چگونه در انرژی‌های بالا سازماندهی می‌شوند، برای توضیح اینکه ماده چگونه جرم و ساختار بنیادی خود را به دست می‌آورد، حیاتی تلقی می‌شود.

برای بررسی هسته در چنین مقیاس‌های زیراتمی شدیدی، تیم ALICE از پدیده‌ای به نام «برخوردهای فوق محیطی» (ultraperipheral collisions) استفاده کرد. در طول فاز ۲ برخورددهنده بزرگ هادرونی، هسته‌های سرب با سرعت بالا هدایت شدند تا با سرعتی نزدیک به سرعت نور و بدون برخورد مستقیم، از کنار یکدیگر عبور کنند. میدان‌های الکترومغناطیسی شدیدی که این هسته‌های نزدیک به هم را احاطه کرده بودند، به عنوان پرتوهای بسیار متمرکز فوتون‌های پرانرژی عمل کردند. هنگامی که این فوتون‌های پرانرژی به هسته مقابل برخورد می‌کردند، گهگاه مزون‌های J/ψ تولید می‌کردند—نوع خاصی از ذره که تولید آن به عنوان یک کاوشگر بسیار حساس برای ساختار گلوئونی زیرین عمل می‌کند. این تکنیک به محققان اجازه داد تا عملاً بدون متلاشی کردن کامل هسته، به داخل آن نگاه کنند.[1][2]

برخلاف اندازه‌گیری‌های تجربی قبلی که چگالی گلوئون را در کل هسته اتمی میانگین‌گیری می‌کردند، تمرکز آزمایش ALICE بر تولید فوتوهسته‌ای نامنسجم (incoherent photonuclear production) به محققان اجازه داد تا نوسانات بسیار موضعی را شناسایی کنند. تیم علمی با تغییر دقیق انتقال تکانه در برهم‌کنش‌های زیراتمی، عملاً فوکوس عدسی میکروسکوپی خود را تنظیم کرد. آن‌ها به تدریج مناطق کوچک‌تر و کوچک‌تری از هسته سرب را بررسی کردند و در نهایت به وضوح فضایی ۰.۲ فمتومتر رسیدند. برای درک بهتر این مقیاس، دقیق‌ترین وضوح به دست آمده توسط آشکارساز، مربوط به ساختارهایی است که تنها حدود یک چهارم اندازه یک پروتون واحد هستند و دیدگاهی بی‌سابقه از فضای داخلی هسته به فیزیکدانان می‌دهد.[1][2]

در این مقیاس‌های فضایی فوق‌العاده دقیق، محققان الگوی چشمگیر و غیرمنتظره‌ای را در داده‌ها مشاهده کردند: نرخ تولید ذرات J/ψ در مقایسه با آنچه مدل‌های خطی استاندارد پیش‌بینی کرده بودند، به طور قابل توجهی سرکوب شده بود. این سرکوب با اهمیت آماری تقریباً سه انحراف معیار ثبت شد که نشان‌دهنده یک پدیده فیزیکی قوی است و نه صرفاً یک ناهنجاری آماری. کاهش شدید در تولید ذرات قویاً نشان می‌دهد که گلوئون‌ها به عنوان موجودیت‌های مستقل در داخل هسته عمل نمی‌کنند. در عوض، به نظر می‌رسد که آن‌ها در یک محیط جمعی و بسیار متراکم با یکدیگر تعامل دارند که اساساً احتمال تولید ذرات را تغییر می‌دهد.[1][2]

سال‌ها، جامعه فیزیک در مورد دو چارچوب نظری رقیب برای توضیح رفتار گلوئون در انرژی بالا بحث می‌کرد. چارچوب اول، معروف به «سایه‌اندازی هسته‌ای» (nuclear shadowing)، پیشنهاد می‌کرد که گلوئون‌ها به سادگی روی هم قرار می‌گیرند و یکدیگر را پنهان می‌کنند—بسیار شبیه به لایه‌های ابرهای غلیظ که جلوی نور خورشید را می‌گیرند—و در نتیجه احتمال وقوع برخی برهم‌کنش‌های ذرات را کاهش می‌دهند. در حالی که سایه‌اندازی هسته‌ای با موفقیت اندازه‌گیری‌های قبلی در وضوح‌های پایین‌تر را توصیف می‌کرد، داده‌های جدید ALICE نشان می‌دهد که سایه‌اندازی خطی مرسوم به تنهایی نمی‌تواند سرکوب شدید مشاهده شده در کوچک‌ترین مقیاس‌های فضایی را به طور کامل توضیح دهد. داده‌ها برای توضیح تغییر ناگهانی در رفتار زیراتمی به مکانیسم متفاوتی نیاز داشتند.[2][3]

به جای سایه‌اندازی ساده، مشاهدات تجربی قویاً از چارچوب نظری دوم حمایت می‌کنند: اشباع گلوئون. بر اساس ریاضیات پیچیده کرومودینامیک کوانتومی، هنگامی که هسته‌های اتمی به سمت سرعت نور شتاب می‌گیرند، چگالی گلوئون داخلی آن‌ها به شدت افزایش می‌یابد. در رژیم اشباع، گلوئون‌ها چنان متراکم می‌شوند که در نهایت یک تعادل پویا حاصل می‌شود. نرخی که گلوئون‌ها به جفت‌ها تقسیم می‌شوند، کاملاً با نرخی که دوباره با یکدیگر ترکیب می‌شوند، متعادل می‌شود. این تقسیم و ادغام مداوم، حداکثر چگالی ممکن میدان را محدود می‌کند و ذرات را مجبور می‌سازد تا به عنوان یک حالت جمعی و یکپارچه از ماده رفتار کنند که اغلب به عنوان «چگالیده شیشه رنگی» (color glass condensate) از آن یاد می‌شود.[1][3]

تأیید تجربی اشباع گلوئون، مبنای حیاتی برای تحقیقات آینده در مورد مکانیک نیروی هسته‌ای قوی فراهم می‌کند. در حالی که نتایج ALICE واضح‌ترین تصویر را از این رفتار زیراتمی جمعی ارائه می‌دهند، فیزیکدانان تأکید می‌کنند که داده‌های پرانرژی بیشتری برای آزمایش دینامیک دقیق و شرایط مرزی مدل‌های اشباع مورد نیاز خواهد بود. این یافته‌های پیشگامانه مستقیماً برنامه تحقیقاتی در برخورددهنده الکترون-یون (Electron-Ion Collider) آتی را که یک تأسیسات نسل بعدی است و در حال حاضر به طور خاص برای نقشه‌برداری ساختار داخلی سه‌بعدی نوکلئون‌ها و توصیف کامل رژیم اشباع گریزان برای دهه‌های آینده طراحی می‌شود، هدایت خواهد کرد.[2][3]