بعد 50 عامًا، وجد الفيزيائيون دليلًا قويًا على ما يجمع المادة معًا

الكون مثل المياه تتدفق إلى أسفل، وهذه ليست تعويذة روحية على طراز العصر الجديد.

تتحرك الجسيمات والأنظمة تلقائيًا إلى حالات طاقة أقل، بما في ذلك الجسيمات الثقيلة التي تتحلل إلى حالات أخف.

البروتونات هم في أسفل هذا التل. إنها أخف الباريونات (جسيم دون ذري يتكون من الكواركات)، ولم يتم ملاحظة أي اضمحلال للبروتونات على الإطلاق.

والآن، وجد الباحثون دليلاً على أن إحدى الخصائص المميزة للبروتون قد تعمل بشكل مختلف عما افترضنا. وهذا يمكن أن يساعد في تفسير لغز طويل الأمد حول ما يجمع المادة معًا في الكون.

البروتون ظاهر ويرتبط الاستقرار بحفظ عدد الباريون، مما يساعد على تمييز المادة عن بعضها البعض المادة المضادة.

من المفترض تقليديًا أن رقم الباريون يحمله كواركات التكافؤ الثلاثة التي تتكون منها الباريونات، مثل البروتونات والنيوترونات.

لكن الآن، وبعد عقود من عدم اليقين، قدمت دراسة جديدة باستخدام تصادمات الجسيمات عالية الطاقة بعضًا من أقوى الأدلة التجريبية حتى الآن ضد هذه الصورة البسيطة للتكافؤ والكواركات..

نشرت في علوم, تدعم الدراسة فكرة أن رقم الباريون يحمل فعليًا في “وصلة باريون” على شكل حرف Y للجسيم، والتي تتكون من غلوونات عديمة الكتلة والتي بمثابة الغراء للحفاظ على الباريونات معًا.

على الرغم من أن هذا كان مقترح في السبعينياتلم يتمكن الفيزيائيون من اختبار هاتين النظريتين المتنافستين بشكل صحيح – حتى الآن، مما يسلط الضوء على معضلة أساسية:

“ترتبط الأطراف الثلاثة لوصلة الباريون بكواركات التكافؤ، مما يجعل من غير الممكن تمييزه في معظم العمليات الفيزيائية سواء كانت الوصلة أو كواركات التكافؤ تحمل رقم الباريون”. يكتب.

“ولهذا السبب، لم يتم التحقق من أي من السيناريوهين تجريبيا بشكل لا لبس فيه.”

كما هو الحال غالبًا مع فيزياء الجسيمات المحيرة، قد تكون أفضل طريقة لاستكشافها هي القيام بذلك تصطدم الجسيمات ببعضها البعض بسرعة تقارب سرعة الضوء.

وبناء على ذلك، أطلق فريق بحثي ضخم على تعاون النجوم قام بتحليل نتائج أنواع مختلفة من الاصطدامات الناتجة في مصادم الأيونات الثقيلة النسبي (RHIC)، وهو معجل ومحطم الجسيمات المتقاعد الآن في مختبر بروكهافن الوطني في نيويورك.

وقام الفريق بتحليل نتائج الاصطدامات النووية الضوئية والاصطدامات النووية الأيزوبار، ثم قارنوا هذه النتائج بنماذج حسابية متعددة تحاكي اصطدامات الجسيمات عالية الطاقة.

تتضمن الاصطدامات النووية الأيزوبار اصطدام نواتين لهما نفس العدد الكتلي، ثم قياس العدد الصافي من الباريونات المنقولة فيما يتعلق بصافي الشحنة الكهربائية عبر أنواع مختلفة من النوى – في هذه الحالة، النوى المتصادمة لذرات الروثينيوم والزركونيوم.

يجب أن ينتج عن ذلك توقيع محدد لأن كواركات التكافؤ معروفة بأنها تحمل شحنة كهربائية، في حين أن الوصلة تحمل شحنة كهربائية صفر.

وجد الباحثون أن الباريونات تنتقل عبر منطقة الاصطدام الكثيفة والحيوية لمسافة أبعد مما تفعله الشحنة الكهربائية، مما يشير إلى أن رقم الباريون يحمله الوصلة، والتي لا تتباطأ بقدر كواركات التكافؤ المشحونة كهربائيًا.

ومن ناحية أخرى، تستكشف الاصطدامات النووية الضوئية تفاعلات الفوتونات (جزيئات الضوء) ونواة ذرات الذهب أثناء اقترابها من بعضها البعض بسرعات نسبية.

عند هذه السرعات الفائقة، تولد نواة الذهب المشحونة إيجابيًا مجالًا كهرومغناطيسيًا، أو في الأساس فوتونًا افتراضيًا “شبه حقيقي”.

“لذلك، عندما تتحرك الأيونات بسرعة قريبة من سرعة الضوء، هناك مجموعة من الفوتونات تحيط بنواة الذهب، وتسافر معها مثل السحابة.” يشرح تشانغبو شو، عالم الفيزياء في جامعة ولاية كينت وعضو في تعاونية STAR، في ورقة بحثية سابقة.

ثم تصطدم هذه الفوتونات المؤقتة بنواة الذهب، مما يوفر رؤية “نظيفة” لنقل رقم الباريون – يجب أن ترتبط جميع الباريونات المكتشفة في “الحطام” الناتج بنواة الذهب.

بمعنى آخر، نظرًا لأن الفوتون الوارد يحمل رقم باريون صفر، فإن أي رقم باريون صافي يتم قياسه بعد التفاعل يجب أن يأتي في النهاية من نواة الذهب.

وفقًا لتجارب الأيزوبار، يبدو أن هذا يتفق مع تنبؤات نظرية ريجي، التي تتضمن وصلة باريون أفضل من المحاكاة القائمة على التكافؤ والكواركات.

“هذه النتائج، المدعومة بالبيانات التي تم الإبلاغ عنها مسبقًا من قبل STAR من تصادمات Au+Au في مجموعة متنوعة من طاقات الشعاع، لا تؤيد صورة كوارك التكافؤ،” الباحثون يكتب.

في مرافقة علوم وجهة نظريؤكد عالم الفيزياء في جامعة ولاية ميسيسيبي وينليانغ لي أنه في حين تشير القياسات الجديدة إلى أن الغلوونات قد تساهم في نقل أرقام الباريون، إلا أنها لا توفر قياسًا مباشرًا ومحكمًا للآلية الأساسية.

ومع المزيد من الأبحاث، يمكن أن يساعد هذا في النهاية الفيزيائيين على فهم الخلل في التوازن المادة والمادة المضادة التي سهّلت وجود الكون كما نراه اليوم من أعظم الألغاز الكونية.

“إن تحديد ما إذا كانت الكواركات أو مجال الغلون ينقل رقم الباريون يمكن أن يساهم في فهم كيفية تنظيم التفاعل القوي بين الجسيمات دون الذرية للمادة المستقرة وما الذي يسبب عدم التوازن بين المادة و المادة المضادة في الكون” يكتب لي.

متعلق ب: يجد الفيزيائيون طريقة “لتقسيم” جسيمات الضوء إلى نصفين لإنتاج فوتونات لا نهائية

يحمل المستقبل المزيد من تحطيم الذرات، بما في ذلك مع مختبر بروكهافن الوطني القادم والقوي مصادم الإلكترون والأيون.

“هناك ما يبرر إجراء مزيد من التحقيقات في النظريات الحالية والبديلة؛ ولكي تكون هذه النظريات قابلة للتطبيق، يجب أن تشرح في وقت واحد جميع الظواهر المرصودة،” الباحثون اختتم.

“وحتى الآن، يظل إطار تقاطع باريون فقط متسقًا نوعيًا.”

وقد نشر هذا البحث في علوم.