مشاهده مستقیم «ردپای کوارک» چگونه قوانین فیزیک بنیادی و کیهان اولیه را بازنویسی می‌کند

برای اولین بار، فیزیکدانان مستقیماً «ردپایی» را مشاهده کرده‌اند که توسط یک ذره زیراتمی در حال حرکت سریع در ماده اولیه پرکننده کیهان در لحظات آغازین، ایجاد شده است. این کشف که توسط همکاری CMS در برخورددهنده بزرگ هادرونی سرن (CERN) انجام شد، به طور قطعی ثابت می‌کند که اولین ماده جهان به جای ابری سست از ذرات مستقل، مانند یک مایع یکپارچه و موج‌دار رفتار می‌کرده است. این یک پاسخ هیدرودینامیکی ماکروسکوپی است که در شدیدترین مقیاس کوانتومی مشاهده شده است.[1][3]

در چند میکروثانیه اول پس از بیگ بنگ، جهان برای وجود پروتون‌ها و نوترون‌ها بسیار داغ بود. در عوض، با ماده‌ای تریلیون درجه‌ای به نام پلاسمای کوارک-گلوئون (QGP) پر شده بود. برای مطالعه این «سوپ اولیه»، دانشمندان یون‌های سنگین سرب را با سرعتی نزدیک به سرعت نور به هم می‌کوبند تا کوارک‌ها و گلوئون‌ها را به طور موقت جابجا کنند و قطرات میکروسکوپی از پلاسما را بازسازی کنند که تنها برای ۱۰⁻²² ثانیه دوام می‌آورند.[1]

در حالی که گزارش‌های عمومی اغلب این دستاورد را به عنوان «عکس گرفتن از بیگ بنگ» توصیف می‌کنند، قابلیت واقعی بسیار دقیق‌تر و آماری است. آزمایش CMS از کیهان اولیه عکس نگرفته است؛ بلکه کاهش ذرات (با اهمیت آماری بالای ۵ سیگما) را که در دنباله یک کوارک پرانرژی در قطره میکروسکوپی پلاسما قرار دارند، اندازه‌گیری کرده است. این بازسازی آماری دینامیک سیالات در مقیاس کوانتومی است که با کنار زدن هیاهوی تبلیغاتی، یک پاسخ هیدرودینامیکی قابل اندازه‌گیری را آشکار می‌کند.[1][3]

برای دهه‌ها، فیزیکدانان نظری در مورد نحوه واکنش این پلاسما به یک ذره پرانرژی یا «پارتون» که از آن عبور می‌کند، بحث می‌کردند. «مدل هیبریدی» پیش‌بینی می‌کرد که پلاسما باید مانند یک سیال واکنش نشان دهد، به طوری که کوارک در حال حرکت، محیط را جابجا کرده و یک ردپای انتشار (diffusion wake) در پشت خود باقی بگذارد – بسیار شبیه به قایقی که آب را می‌شکافد. با این حال، جدا کردن این موج ظریف از انفجار آشفته ناشی از برخورد ذرات، فوق‌العاده دشوار بود.[2][3]

این پیشرفت زمانی حاصل شد که محققان بر رویدادهای «دوجت» (dijet) تمرکز کردند – برخوردهایی که دو فواره (جت) ذره‌ای پشت به پشت تولید می‌کنند. تیم CMS با نقشه‌برداری از انرژی‌ها در سراسر پلاسمای کوتاه‌مدت و مقایسه برخوردهای سرب-سرب با برخوردهای پایه پروتون-پروتون (که پلاسما را تشکیل نمی‌دهند)، کاهش واضحی از ذرات را در جهت مخالف جت پیشرو شناسایی کرد.[1]

این کاهش یا «افت» در تولید ذرات، همان ردپای انتشار است. در مرکزی‌ترین برخوردها، سیگنال ردپای مشاهده شده در ذرات با تکانه کم (بین ۱ و ۲ گیگا الکترون ولت) بیش از پنج انحراف معیار از خط پایه فاصله گرفت و از آستانه سختگیرانه برای یک کشف علمی قطعی عبور کرد. کوارک به معنای واقعی کلمه پلاسما را با خود می‌کشد، مواد را به جلو هل می‌دهد و یک خلأ در پشت سر باقی می‌گذارد.[1]

این مشاهده قوانین فیزیک کیهان اولیه را بازنویسی می‌کند، زیرا تأیید می‌کند که نیروی هسته‌ای قوی، که کوارک‌ها را به هم پیوند می‌دهد، می‌تواند رفتار جمعی و شبیه به سیال را حتی در دماهای فوق‌العاده بالا ایجاد کند. این نشان می‌دهد که گذار از یک سوپ اولیه به ماده ساختاریافته امروزی، به همان اندازه که تحت تأثیر پراکندگی کوانتومی بوده، توسط دینامیک سیالات نیز اداره می‌شده است.[2][3]

در ادامه، محققان قصد دارند اندازه، سرعت و دامنه این ردپاها را اندازه‌گیری کنند تا ویسکوزیته دقیق و خواص پلاسمای کوارک-گلوئون را محاسبه کنند. فیزیکدانان با مطالعه نحوه فروکش و از بین رفتن این امواج، بینشی بی‌سابقه در مورد شرایط دقیقی که به اولین اتم‌ها اجازه شکل‌گیری داد، به دست می‌آورند و منشأ بنیادی تمام ماده مرئی در کیهان را روشن می‌کنند.[1][3]