جهان پس از بیگ‌بنگ یک سوپ داغ بوده است

به گزارش ایسنا، بلافاصله پس از انفجار بیگ‌بنگ، جهان مثل یک سوپ پلاسمایی فوق‌العاده چگال با چندین تریلیون درجه دما بوده است. محققان در یک آزمایش موفقیت‌آمیز، اولین شواهدی را یافتند که نشان می‌دهد این ماده‌ لزج و عجیب اولیه واقعاً مانند سوپ می‌غلتیده و می‌چرخیده است.

به عبارت علمی‌تر، این سوپ چسبناک، پلاسمای کوارک-گلوئون یا QGP نامیده می‌شود. این اولین و داغ‌ترین مایعی بوده که تاکنون وجود داشته است. پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهد که قبل از انبساط، خنک شدن و تشکیل اتم‌ها، برای چند میلیونیم ثانیه، یک میلیارد برابر داغ‌تر از سطح خورشید شعله‌ور شده است.

همانطور که در یک مطالعه اخیر به تفصیل شرح داده شده است، تیمی از فیزیکدانان MIT و CERN برخوردهای یون سنگین مانند برخوردهایی که QGP را ایجاد کردند، برای بررسی خواص آن بازسازی کردند. برای مثال، وقتی یک کوارک از پلاسما عبور می‌کند، آیا مانند یک مایع چسبنده پس زده می‌شود و پاشیده می‌شود یا مانند مجموعه‌ای از ذرات به طور تصادفی پراکنده می‌شود؟

محققان برای فهمیدن این موضوع، داده‌های مربوط به برخورد بین ذرات سرب که با سرعتی نزدیک به سرعت نور درون برخورددهنده بزرگ هادرونی(LHC) سرن(CERN) به هم برخورد کردند را تجزیه و تحلیل کردند. چنین برخوردهایی باعث ایجاد افشانه‌هایی از ذرات پرانرژی مانند کوارک‌ها و همچنین قطره‌ای از QGP می‌شود که در جهان نوپا نشت کرده است.

فیزیکدانان با استفاده از یک استراتژی منحصر به فرد که دید واضح‌تری از برخوردهای یون‌های سنگین نسبت به آزمایش‌های قبلی ارائه می‌داد، حرکات کوارک‌ها را در QGP ردیابی کردند و انرژی QGP را پس از این برخوردها نقشه‌برداری کردند.

ین‌جی لی (Yen-Jie Lee)، فیزیکدان MIT می‌گوید: اکنون می‌بینیم که پلاسما فوق‌العاده متراکم است، به طوری که می‌تواند سرعت یک کوارک را کاهش دهد و مانند یک مایع، پاشش‌ها و چرخش‌هایی ایجاد کند. بنابراین پلاسمای کوارک-گلوئون واقعاً مانند یک سوپ اولیه است.

کوارک‌هایی که با سرعت از QGP عبور می‌کنند، مقداری از انرژی خود را به پلاسما منتقل می‌کنند، سرعت خود را از دست می‌دهند و مانند یک قایق پرسرعت، ردی ایجاد می‌کنند.

کریشنا راجاگوپال( Krishna Rajagopal)، فیزیکدان MIT که مدلی را برای پیش‌بینی خواص سیال QGP توسعه داده است، می‌گوید: به طور مشابه، وقتی قایقی در دریاچه‌ای در حال حرکت است، رد آب پشت قایق است که در جهت قایق حرکت می‌کند. قایق تکانه را به ناحیه‌ای از آب منتقل کرده است که آن را دنبال می‌کند.

این در حالی است که محققان به جای دیدن یک رد تمیز مانند آنچه در آب پشت قایق می‌بینید، مجبور شدند وجود آشفته آن را در قطرات QGP خود استنباط کنند. این امر مستلزم مرتب‌سازی ده‌ها هزار ذره با تعامل شدید، در پلاسمای تریلیون درجه‌ای است که معمولاً برای یک کوادریلیونیم ثانیه در LHC وجود دارد، تا ذرات نسبتاً کمی که توسط رد جابجا شده‌اند، شناسایی شوند.

این کار آسانی نیست. راجاگوپال توضیح داد که وقتی کوارک‌ها در برخوردهای LHC تولید می‌شوند، هرگز به تنهایی وجود ندارند. آنها معمولاً در کنار آنتی‌کوارک‌ها، ذرات همتای خود که یکسان اما با بار مخالف هستند، تشکیل می‌شوند. کوارک و آنتی‌کوارک آن با سرعت یکسان در جهت‌های مخالف حرکت می‌کنند و هر کدام یک رد ایجاد می‌کنند و تشخیص را پیچیده می‌کنند.

بنابراین فیزیکدانان به جای جستجوی جفت‌های کوارک-آنتی‌کوارک طبق آزمایش‌های قبلی، به دنبال جفت ذره متفاوتی بودند. گاهی اوقات، برخوردهای LHC منجر به ایجاد یک کوارک و یک «بوزون Z» می‌شود که یک ذره بنیادی خنثی است که به دلیل عدم تعامل با QGP، ردی ایجاد نمی‌کند.

با این حال، این رویدادها نادر هستند. از ۱۳ میلیارد برخورد LHC که در این مطالعه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند، تنها حدود ۲۰۰۰ مورد یک «بوزون Z» تولید کردند، اما به دلیل عدم تعامل «بوزون Z» با QGP، محققان سرانجام توانستند رد ناشی از یک کوارک پرسرعت را تجزیه و تحلیل کنند.

همانطور که مدل راجاگوپال پیش‌بینی کرده بود، QGP به عنوان یک مایع واکنش نشان داد و در پی کوارک، به صورت چرخشی و متلاطم حرکت کرد.

راجاگوپال گفت که این شواهد قطعی و غیرقابل انکار از رفتار مایع‌مانند QGP است، اما بحث دیرینه در مورد اینکه آیا QGP مانند یک سیال جریان دارد و موج می‌زند، ممکن است هنوز حل نشده باشد. محققان دیگر مطمئناً نتایج را بررسی خواهند کرد.

با این وجود، این تکنیک جدید چارچوبی برای بررسی فرآیندهای مشابه در انواع دیگر برخوردهای پرانرژی ارائه می‌دهد و احتمالاً یکی از مرموزترین مواد تاریخ جهان را روشن می‌کند.

راجاگوپال گفت: در بسیاری از زمینه‌های دیگر علم، روشی که شما در مورد خواص یک ماده یاد می‌گیرید، این است که آن را به نوعی مختل کنید و نحوه پخش و پراکندگی اختلال را اندازه‌گیری کنید.

این همان بخش از چیزی است که فیزیک را سرگرم‌کننده می‌کند. اگر مطمئن نیستید که چیزی چگونه کار می‌کند، فقط آن را با سرعتی نزدیک به سرعت نور خرد کنید.

این پژوهش در مجله Physics Letters B منتشر شده است.