برخورد یون‌های طلا برای اولین بار ثبت شدند!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،آزمایش جدید sPHENIX که به‌تازگی در برخورددهنده یون سنگین نسبیتی (RHIC) وابسته به آزمایشگاه ملی بروکهاون وزارت انرژی آمریکا (DOE) مستقر شده، نخستین نتایج فیزیکی خود را منتشر کرد. این نتایج شامل اندازه‌گیری‌های دقیقی از تعداد و چگالی انرژی هزاران ذره است که از برخورد یون‌های طلا با سرعتی نزدیک به نور به‌وجود آمده‌اند.

به گزارش دو مقاله‌ای که به‌تازگی در نشریات Physical Review C و Journal of High Energy Physics پذیرفته شده‌اند و هم‌اکنون در سرور پیش‌چاپ arXiv در دسترس هستند، این اندازه‌گیری‌ها زمینه را برای بررسی دقیق‌تر آشکارساز از پلاسما کوارک–گلوئون (QGP) فراهم می‌کنند؛ حالتی منحصر‌به‌فرد از ماده که تنها چند میکروثانیه پس از مهبانگ (Big Bang) حدود ۱۴ میلیارد سال پیش وجود داشته است.

برخورد‌های مرکزی ذرات بیشتر و انرژی بالاتری تولید می‌کنند

اندازه‌گیری‌های تازه نشان می‌دهند هرچه برخورد‌های هسته‌ای مرکزی‌تر و مستقیم‌تر باشند، تعداد بیشتری ذره باردار تولید می‌شود و انرژی کل این فوران ذرات نیز بیشتر است. این یافته‌ها کاملاً با نتایج آشکارساز‌های پیشین در RHIC که از سال ۲۰۰۰ به بررسی پدیده QGP پرداخته‌اند، هم‌خوانی دارد و عملکرد دقیق و قابل‌اعتماد آشکارساز جدید sPHENIX را تأیید می‌کند.

جین هوانگ، فیزیک‌دان آزمایشگاه بروکهاون و یکی از سخنگویان مشترک همکاری علمی sPHENIX می‌گوید: به‌عنوان یک آزمایش جدید و بسیار پیشرفته که بیش از یک دهه برای طراحی، ساخت و راه‌اندازی آن صرف شده، نخستین سؤالات ما این است که: آیا آشکارساز درست کار می‌کند؟ آیا کالیبراسیون ما دقیق است؟ و آیا سیستم‌های پردازش داده ما قابل اعتماد هستند؟ بهترین راه پاسخ به این سؤالات، انجام اندازه‌گیری‌هایی از ویژگی‌های پایه‌ای برخورد‌ها و اطمینان از درستی عملکرد آشکارساز در این زمینه است.

با وجود این sPHENIX فقط به این اندازه‌گیری‌های پایه بسنده نمی‌کند، بلکه با استفاده از فناوری‌های پیشرفته خود، امکان رسیدن به دقت بیشتر، کشف سیگنال‌های نادرتر و تحلیل با وضوح بالاتر از ویژگی‌های QGP را فراهم می‌سازد.

ورود به فصل جدیدی از فیزیک پلاسما کوارک–گلوئون

مگان کانرز فیزیک‌دان دانشگاه ایالتی جورجیا و سخنگوی دیگر این پروژه، می‌افزاید: گذر از این آستانه اولیه و اثبات تجربی دقت ما در اندازه‌گیری تعداد ذرات باردار و انرژی، این امکان را فراهم می‌کند تا عمیق‌تر به اهداف فیزیکی پروژه و ویژگی‌های QGP بپردازیم و ظرفیت‌های واقعی آشکارساز را شکوفا کنیم.

فناوری‌های نوآورانه sPHENIX

از جمله ویژگی‌های پیشرفته آشکارساز جدید می‌توان به سیستم‌های ردیابی دقیق برای بازسازی مسیر حرکت ذرات اشاره کرد؛ حتی برای ذرات نادر و مهمی که تنها چند میکرومتر از مرکز برخورد تشکیل شده و فروپاشی می‌کنند. همچنین، مجموعه‌ای کامل از کالری‌متر‌ها (آشکارساز‌های انرژی ذرات) در این سامانه وجود دارد.

کالری‌متر الکترومغناطیسی برای اندازه‌گیری انرژی الکترون‌ها و فوتون‌ها (ذرات نور) طراحی شده است، در حالی که کالری‌متر هادرونی – نخستین نمونه‌ای که اطراف ناحیه مرکزی برخورد در RHIC نصب شده – انرژی هادرون‌ها (ذرات مرکب از کوارک‌ها) را در تمام زوایا اندازه‌گیری می‌کند.

هوانگ درباره نقش ردیاب‌ها می‌گوید: ردیاب‌های ما مانند یک دوربین سه‌بعدی عظیم عمل می‌کنند. این ردیاب‌ها به ما کمک می‌کنند مسیر حرکت ذرات باردار را به‌وضوح ببینیم؛ حتی زمانی که هزاران ذره در یک برخورد کاملاً مرکزی ایجاد می‌شوند. زمانی که این ذرات به بیرون پرتاب می‌شوند، انرژی برخورد را نیز با خود حمل می‌کنند. اینجاست که نقش کالری‌متر مشخص می‌شود؛ برای تعیین اینکه هر ذره چه میزان انرژی دارد.

ترکیب اجزای دقیق این آشکارساز و قابلیت اندازه‌گیری دقیق آنها به دانشمندان اجازه می‌دهد تا داده‌ها را با روش‌های کمّی بسیار دقیق تحلیل کنند. برای مثال، ما می‌توانیم دقیقاً اندازه‌گیری کنیم که چگونه با تغییر از برخورد‌های پیرامونی (که یون‌ها با زاویه‌ای مورب به هم برخورد می‌کنند) به برخورد‌های مرکزی، انرژی تولیدشده افزایش می‌یابد. داده‌ها نشان می‌دهند که برخورد‌های مرکزی حدود ۱۰ برابر انرژی بیشتری آزاد می‌کنند. همچنین، تعداد ذرات باردار تولیدشده نیز ۱۰ برابر بیشتر از برخورد‌های پیرامونی است.

بازسازی جت‌ها و کشف سیگنال‌های نادر

این دقت بالا به دانشمندان اجازه می‌دهد تا سیگنال‌های نادر مانند تشکیل کوارک‌های سنگین بسیار نزدیک به محل برخورد را شناسایی کنند. آنها همچنین قادر خواهند بود جت‌ها – فوران‌های متمرکز از ذرات ناشی از کوارک‌ها یا گلوئون‌های پرانرژی – را به‌طور کامل بازسازی کنند، به‌شرط آنکه انرژی تمامی ذرات موجود در این جت‌ها محاسبه شود.

دنیس پرپلیتسا، فیزیک‌دان دانشگاه کلرادو بولدر و هماهنگ‌کننده فیزیکی sPHENIX می‌گوید: هیجان‌انگیز است که نشان دادیم می‌توانیم انرژی‌ها را در بازه دینامیکی گسترده‌ای اندازه‌گیری کنیم و همچنین درک دقیقی از هندسه برخورد‌ها داریم.»

او همچنین توضیح می‌دهد که در مطالعات آینده از جت‌ها مانند میکروسکوپی برای بررسی زیرساختار QGP استفاده خواهد شد. برای نمونه، مقایسه چگونگی تعامل جت‌های ناشی از کوارک‌های سنگین و سبک با این پلاسما ممکن است نشان دهد که این محیط، برخلاف تصور اولیه، یک مایع همگن و یکنواخت نیست، بلکه ساختاری توده‌مانند دارد – شبیه یک سوپ تکه‌تکه به‌جای یک پوره یکنواخت. این بررسی‌ها می‌توانند به فهم بهتر رفتار ذرات درون جت‌ها در مواجهه با پلاسما و چگونگی از دست دادن انرژی (یا اصطلاحاً quenching) کمک کنند؛ پدیده‌ای که نقش مهمی در شناخت خواص خارق‌العاده QGP دارد.

همکاری علمی گسترده و آغاز فصل تازه‌ای از پژوهش

کانرز در پایان گفت: این اندازه‌گیری‌های نخستین، نتیجه کار بیش از ۳۰۰ دانشمند عضو پروژه sPHENIX از سراسر جهان است – از جمله دانشجویان و پژوهشگران پسادکتری – که در ساخت و راه‌اندازی آشکارساز، نظارت بر عملکرد آن در طول شیفت‌های آزمایشی، کالیبراسیون تجهیزات و تحلیل داده‌ها نقش داشتند. این نتایج پایه‌ای برای آغاز مطالعات تجربی ما از QGP فراهم می‌کند و سرآغازی برای فصلی هیجان‌انگیز در آزمایش sPHENIX خواهد بود.