باستخدام أقوى مسرع الجسيمات في العالم، مصادم الهادرونات الكبير التابع لـ CERN، اكتشف العلماء أن “الحساء” البدائي الساخن الذي تبلغ درجة حرارته تريليون درجة والذي ملأ الكون لمجرد أجزاء من المليون من الثانية بعد الانفجار الكبير كان في الواقع يتصرف مثل السائل، مما يجعله أقرب إلى الحساء الحرفي.

كان هذا الحساء البدائي يتكون من بلازما من جسيمات تسمى الكواركات والجلونات والتي بردت بسرعة، مما تسبب في اندماج هذين النوعين من الجسيمات وتكوين جسيمات أساسية مثل البروتونات والنيوترونات، والتي تقع اليوم في قلب جميع الذرات التي تشكل المادة في كل مكان حولنا. اليوم، تم العثور على الكواركات والجلونات فقط محبوسة في الجسيمات التي تتكون منها، مع استثناء واحد. عن طريق تحطيم ذرات الرصاص الثقيلة التي تتحرك بسرعات قريبة من الضوء باستخدام مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، يمكن للعلماء إنشاء بيئة عالية الطاقة تحرر لفترة وجيزة الغلوونات والكواركات من هذه العبودية الذرية، مما يعيد إنشاء بلازما كوارك-غلوون الكون المبكر.

باستخدام المسرع الذي يبلغ طوله 17 ميلاً (27 كيلومترًا) والذي يقع بالقرب من جنيف بسويسرا، قام فريق من الباحثين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) بتوليد بلازما كوارك-غلوون. وضمن هذا الحساء البدائي الزائف، لاحظوا أن الكواركات تخلق “صحوات” أثناء تسابقها عبر البلازما، على غرار المسار الذي يخلقه القارب أثناء انتقاله عبر الماء. هذا هو الدليل الأول على أن بلازما الكوارك-غلوون تتفاعل مع الجسيمات المتسارعة عبرها بنفس الطريقة التي يتفاعل بها السائل، حيث يتناثر ويموج، ويعمل كسائل موحد بدلاً من التشتت العشوائي كما تفعل الجسيمات الفردية. يعني هذا التماسك أن جلون بلازما كوارك لم يكن مجرد سائل، وهو مصطلح يمكن أن يشمل سائلًا أو غازًا، ولكنه كان بمثابة سائل. ويقول العلماء إن هذا يمكن أن يجيب على بعض الأسئلة القديمة حول شكل “الأشياء” الأولى في الكون.

“لقد كان هناك نقاش طويل في مجالنا حول ما إذا كان ينبغي للبلازما أن تستجيب للكواركات،” قال عضو الفريق ين جي لي، أستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. قال في بيان. “الآن نرى أن البلازما كثيفة بشكل لا يصدق، لدرجة أنها قادرة على إبطاء حركة الكوارك، وتنتج رذاذًا ودوامات مثل السائل. “لذا فإن بلازما كوارك-غلوون هي حقًا حساء بدائي”.

لمراقبة الاستيقاظ الناتج في بلازما كوارك-غلوون عن طريق الجسيمات المتحركة، استخدم لي وزملاؤه كاشف LHC المدمج Muon Solenoid (CMS) لتطوير تقنية سمحت لهم أيضًا بقياس حجم وسرعة ومدى هذه الاستيقاظ، والمدة التي تستغرقها للانحسار والتبدد. يمكن أن تكون هذه المعلومات حاسمة لفهم أفضل لخصائص بلازما الكوارك-غلوون وكيفية تصرفها خلال الميكروثانية الأولى من الكون.

وقال لي: “إن دراسة كيفية ارتداد استيقاظ الكوارك ذهابًا وإيابًا ستمنحنا رؤى جديدة حول خصائص بلازما الكوارك-غلوون”. “مع هذه التجربة، نحن نلتقط صورة لحساء الكوارك البدائي.”

لم تكن بلازما كوارك غلوون أول سائل موجود في الكون فحسب، بل مع درجة حرارة تصل إلى عدة تريليونات من الدرجات، فهي أيضًا السائل الأكثر سخونة على الإطلاق. يعتبر الحساء البدائي سائلًا شبه مثالي، مما يعني أن محتوياته من الكوارك والغلوون تدفقت معًا كسائل سلس عديم الاحتكاك.

على الرغم من وجود العديد من نماذج بلازما الكوارك-غلوون، إلا أن إحدى النظريات، التي يطلق عليها اسم “النموذج الهجين”، تشير إلى أن هذا الحساء البدائي يجب أن يتفاعل مثل أي سائل آخر عندما تمر الجزيئات عبره بسرعة. في النموذج الهجين، يجب أن تؤدي تدفقات الكواركات التي تتحرك عبر بلازما كوارك-غلوون إلى خلق أثر حيث تتسبب في تموج محيط البلازما هذا وتناثره.

لقد كانت هناك العديد من التجارب في LHC ومسرعات الجسيمات الأخرى التي حاولت رؤية هذا التأثير على أرض الواقع. هذه التجارب لم تكن ممكنة إلا من خلال ضرب الذرات الثقيلة المشحونة، أو الأيونات الثقيلة، معًا بسرعة قريبة من سرعة الضوء، والتي يمكن أن تولد قطيرة من الحساء البدائي الذي لا يعيش لأكثر من كوادريليون من الثانية. يواصل العلماء محاولة التقاط لقطات لهذا الحساء البدائي لفهم خصائص بلازما كوارك-غلوون.

في محاولة لتحديد الاستيقاظ في بلازما الكوارك والغلوون، كان العلماء يبحثون عن أزواج الكواركات ونظيراتها من المادة المضادة المعروفة باسم الكواركات المضادة. عندما يتسابق الكوارك عبر البلازما، يجب أن يوجد كوارك مضاد، يتحرك بنفس السرعة بالضبط ولكن في الاتجاه المعاكس. ووفقًا للنموذج الهجين، ينبغي لكلا الجسيمين أن يخلقا استيقاظًا يمكن اكتشافه. يبدو الأمر بسيطًا بما فيه الكفاية، لكن هناك ذبابة في هذا الحساء.

وأوضح لي: “عندما يتم إنتاج كواركين، المشكلة هي أنه عندما يتحرك الكواركان في اتجاهين متعاكسين، فإن الكوارك الواحد يطغى على أثر الكوارك الثاني”. أدرك هذا الفريق أن العثور على أثر الكوارك سيكون أسهل إذا لم يكن هناك كوارك ثانٍ يحجبه.

وأضاف لي: “لقد اكتشفنا تقنية جديدة تسمح لنا برؤية تأثيرات كوارك واحد في بلازما كوارك-غلوون، من خلال زوج مختلف من الجسيمات”.

بدلًا من البحث عن أزواج الكواركات، بحث لي وزملاؤه عن كواركات تنتقل في انسجام مع جسيم أولي محايد يسمى بوزون Z، والذي ليس له تأثير يذكر على البيئة المحيطة به. تكمن فائدة البوزونات Z في امتلاكها طاقة محددة، مما يجعل اكتشافها سهلًا نسبيًا.

وقال لي: “في هذا الحساء من بلازما الكوارك والغلوون، هناك العديد من الكواركات والغلونات التي تمر وتتصادم مع بعضها البعض”. “في بعض الأحيان، عندما نكون محظوظين، تؤدي إحدى هذه الاصطدامات إلى إنشاء بوزون Z وكوارك، بزخم مرتفع.”

في هذه الظروف، يجب أن يصطدم الكوارك وبوزون Z ببعضهما البعض ويرتدان في اتجاهين متعاكسين، مع ترك الكوارك أثرًا، ولكن مع عدم ترك بوزون Z واحدًا بسبب عدم تأثيره على بلازما كوارك-غلوون المحيطة. وهذا يعني أن أي تموجات يتم رصدها في هذه الحالة تكون ناتجة عن الكوارك وحده.

وبعد ملاحظة 13 مليار تصادم في LHC، حدد لي والفريق حوالي 2000 حالة تم فيها إنتاج بوزون Z. خلال هذه الأحداث، لاحظ العلماء باستمرار نمطًا يشبه السائل من الرذاذ يتحرك في الاتجاه المعاكس لبوزونات Z التي اكتشفوها. وقد قرروا أن هذا هو تأثير استيقاظ الكوارك المطلوب. في الواقع، تتوافق الأنماط التي تمت ملاحظتها مع تنبؤات التموج التي قدمها النموذج الهجين لبلازما كوارك-غلوون.

واختتم لي حديثه قائلاً: “لقد حصلنا على أول دليل مباشر على أن الكوارك يسحب بالفعل المزيد من البلازما معه أثناء انتقاله”. “وهذا سيمكننا من دراسة خصائص وسلوك هذا السائل الغريب بتفاصيل غير مسبوقة.”

وتم نشر بحث الفريق في مجلة رسائل الفيزياء ب.