مشاهده مستقیم «رد کوارک» تأیید می‌کند که جهان اولیه «مایعی کامل» بوده است

برای ده‌ها سال، کیهان‌شناسان این نظریه را مطرح کرده بودند که اولین حالت ماده در جهان، نه یک گاز آشفته و در حال انبساط، بلکه یک مایع تقریباً کامل و بدون اصطکاک بوده است. اکنون، یک تیم بین‌المللی از فیزیکدانان قاطع‌ترین مدرک را تا به امروز ارائه کرده‌اند.[1][2]

در یک مطالعه مهم که در مجله «فیزیکس لترز بی» (Physics Letters B) منتشر شد، محققانی که با آزمایش «سولنوئید میونی فشرده» (CMS) در برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) سرن کار می‌کنند، با موفقیت رد یک کوارک منفرد را که از میان سوپ اولیه بازسازی‌شده عبور می‌کرد، جدا کردند.[5]

هنگامی که کوارک از این محیط فوق‌العاده داغ عبور می‌کرد، صرفاً از ذرات منفرد پراکنده نشد. در عوض، محیط را به طور منسجم جابجا کرد و یک رد سیال قابل اندازه‌گیری به شکل V از خود به جای گذاشت—بسیار شبیه به قایق موتوری که از یک دریاچه آرام عبور می‌کند.[1][3]

این مشاهده یک بحث دیرینه در فیزیک ذرات را در مورد ماهیت دقیق پلاسمای کوارک-گلوئون (QGP)، حالت عجیب ماده‌ای که کیهان را برای چند میکروثانیه اول پس از بیگ بنگ (انفجار بزرگ) پر کرده بود، حل می‌کند.[1][4]

برای درک اهمیت این رد سیال، باید محیط فوق‌العاده پلاسمای کوارک-گلوئون را درک کرد. در دماهایی که از دو تریلیون درجه سانتیگراد فراتر می‌رود—صدها هزار برابر داغ‌تر از هسته خورشید—نیروی هسته‌ای قوی از بین می‌رود.[2][4]

تحت این شرایط، پروتون‌ها و نوترون‌ها ذوب می‌شوند و کوارک‌ها و گلوئون‌های تشکیل‌دهنده خود را در یک مایع آشفته و جوشان آزاد می‌کنند. بازسازی این حالت مستلزم برخورد دادن یون‌های سنگین سرب با سرعتی نزدیک به سرعت نور است.[1]

چالش اصلی در مشاهده دینامیک سیالات در این گوی آتشین میکروسکوپی همیشه نسبت سیگنال به نویز بوده است. یک برخورد معمولی یون سنگین، هزاران ذره تولید می‌کند، از جمله چندین کوارک پرانرژی که در جهت‌های مخالف پرتاب می‌شوند.[3]

ین-جی لی، استاد فیزیک در دانشگاه ام‌آی‌تی (MIT) که هدایت این تحلیل را بر عهده داشت، توضیح داد: «چالش دیدن رد کوارک، شبیه تلاش برای مشاهده امواج ایجاد شده توسط یک اردک بود، در حالی که اردک دیگری درست در کنار آن در حال آب‌پاشی است.»[1][3]

برای دور زدن این تداخل، تیم تحت رهبری ام‌آی‌تی یک تکنیک فیلترینگ مبتکرانه به نام «برچسب‌گذاری بوزون Z» ابداع کرد. آنها آوار حاصل از ۱۳ میلیارد برخورد یون سنگین ثبت شده توسط آشکارساز CMS را بررسی کردند تا یک رویداد بسیار خاص و نادر را پیدا کنند.[1]

آنها تقریباً ۲,۰۰۰ برخورد را جدا کردند که در آن یک کوارک پرانرژی منفرد به صورت پشت به پشت با یک بوزون Z تولید شده بود. بوزون Z یک ذره بنیادی خنثی و پرجرم است که با نیروی هسته‌ای قوی برهم‌کنش نمی‌کند.[3][5]

از آنجایی که بوزون Z در برابر نیروی قوی مصون است، مانند یک شبح عمل می‌کند و بدون از دست دادن انرژی یا تغییر مسیر خود، از پلاسمای متراکم کوارک-گلوئون عبور می‌کند. این امر یک نقطه مرجع بکر را برای محققان فراهم کرد.[3]

فیزیکدانان با ردیابی مسیر و انرژی دقیق بوزون Z فرارکننده، دقیقاً می‌دانستند که باید به دنبال کوارک متناظر که در جهت کاملاً مخالف از میان پلاسما حرکت می‌کند، کجا بگردند.[1][3]

هنگامی که آنها توزیع انرژی پلاسما را در جهت مخالف بوزون‌های Z نقشه‌برداری کردند، داده‌ها یک الگوی ثابت و غیرقابل انکار را نشان داد: کاهش انرژی درست در پشت کوارک، که توسط یک مخروط از ذرات جابجا شده و گردابی احاطه شده بود.[5]

این پاسخ سیال ماکروسکوپی کاملاً با «مدل ترکیبی» دینامیک پلاسمای کوارک-گلوئون که توسط کریشنا راجاگوپال، فیزیکدان نظری ام‌آی‌تی و همکارانش توسعه یافته، مطابقت دارد؛ مدلی که پیش‌بینی می‌کرد پلاسما پاشش هیدرودینامیکی از خود نشان خواهد داد.[1][2]

شکل و عمق این رد سیال تأیید می‌کند که پلاسمای کوارک-گلوئون دارای نسبت ویسکوزیته برشی به آنتروپی فوق‌العاده پایینی است. این نسبت به حد نظری کوانتومی نزدیک می‌شود و آن را به کم‌گرانروترین (کم‌ویسکوزترین) سیال شناخته شده برای علم تبدیل می‌کند.[4][5]

لی خاطرنشان کرد: «اکنون می‌بینیم که پلاسما به طرز باورنکردنی متراکم است، به طوری که می‌تواند یک کوارک را کند کرده و مانند یک مایع، پاشش‌ها و گرداب‌هایی ایجاد کند.» این امر جایگاه پلاسمای کوارک-گلوئون را به عنوان یک سوپ اولیه واقعی تثبیت می‌کند.[1]

برای کیهان‌شناسان، این رفتار سیال یک بخش حیاتی از پازل است. یک مایع تقریباً کامل بسیار سریع‌تر از یک گاز به تعادل گرمایی (دمای یکنواخت) می‌رسد. این تعادل گرمایی سریع، یک فرض اساسی در مدل استاندارد بیگ بنگ داغ است.[2][4]

در حالی که وجود این رد سیال اکنون تأیید شده است، مکانیسم دقیق چگونگی اتلاف انرژی در لبه‌های مخروط ماخ همچنان یک سؤال باز است. مجموعه داده‌های فعلی برای نقشه‌برداری مرزهای بیرونی رد سیال با دقت بالا بسیار کوچک است.[5]

انتظار می‌رود دوره‌های آتی آزمایش در برخورددهنده بزرگ هادرونی با درخشندگی بالا (High-Luminosity LHC) نمونه بسیار بزرگ‌تری از رویدادهای بوزون Z را به دست آورد. این امر به فیزیکدانان اجازه می‌دهد تا نرخ اتلاف رد سیال را اندازه‌گیری کنند و عملاً از کوارک‌ها به عنوان کاوشگرهای میکروسکوپی برای محاسبه چگالی دقیق و اصطکاک داخلی جهان اولیه استفاده کنند.[1][3]