در آن لحظات نخستین، همهچیز در دمایی باورنکردنی ـ حدود یک تریلیون درجه ـ به صورت «سوپی» از پلاسما با چگالی فوقالعاده بالا وجود داشت. این محیط آغازین نه شامل اتمها بود و نه حتی هستههای اتمی؛ بلکه از بنیادیترین اجزای ماده تشکیل شده بود. اکنون در یک آزمایش پیشگامانه، پژوهشگران برای نخستین بار شواهد مستقیمی یافتهاند که نشان میدهد این ماده عجیب و نخستین واقعاً رفتاری شبیه یک مایع داشته و مانند سوپ حرکت میکرده، موج برمیداشته و چرخش ایجاد میکرده است.
اگر بخواهیم کمی علمیتر سخن بگوییم، این «سوپ چسبناک» با نام پلاسما کوارک–گلوئون شناخته میشود و به اختصار QGP نام دارد. این ماده نخستین و داغترین مایعی بود که در تاریخ کیهان وجود داشته است. پیشبینیهای نظری نشان میدهد که این پلاسما برای چند میلیونیم ثانیه، دمایی حدود یک میلیارد برابر داغتر از سطح خورشید داشت. سپس جهان به سرعت منبسط شد، دما کاهش یافت و این پلاسما بهتدریج سرد شد و در نهایت به تشکیل اتمها انجامید؛ اتمهایی که بعدها ستارگان، سیارات و در نهایت حیات را شکل دادند.
در پژوهشی تازه، گروهی از فیزیکدانان از مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) و سازمان اروپایی پژوهشهای هستهای (CERN) تلاش کردند شرایطی شبیه به آن لحظات اولیه را در آزمایشگاه بازسازی کنند. آنها برخورد یونهای سنگین را شبیهسازی کردند؛ برخوردهایی که گمان میرود در کیهان اولیه نیز موجب شکلگیری پلاسما کوارک–گلوئون شده باشند. هدف این بود که ویژگیهای این ماده اسرارآمیز بررسی شود. برای مثال، وقتی یک کوارک درون این پلاسما حرکت میکند، آیا مانند جسمی که در یک مایع منسجم پیش میرود، پسزنی و موج ایجاد میکند؟ یا آنکه مانند ذرهای در میان مجموعهای از ذرات پراکنده، بهطور تصادفی منحرف میشود؟
برای یافتن پاسخ، پژوهشگران دادههای مربوط به برخورد ذرات سرب را که با سرعتی نزدیک به سرعت نور در درون برخورددهنده بزرگ هادرونی انجام میشوند، تحلیل کردند. این دستگاه عظیم که در مرز فرانسه و سوئیس قرار دارد، ذرات را با انرژی بسیار بالا به یکدیگر میکوبد. چنین برخوردهایی موجب ایجاد فوارههایی از ذرات پرانرژی مانند کوارکها میشود و همزمان قطرهای بسیار کوچک از پلاسما کوارک–گلوئون تولید میکند؛ مادهای که در کیهان نوزاد همهجا حضور داشت.
دانشمندان با بهرهگیری از روشی نوآورانه که دیدی شفافتر از آزمایشهای پیشین فراهم میکرد، توانستند حرکت کوارکها را در درون این پلاسما ردیابی کنند و انرژی آن را پس از برخوردها نقشهبرداری کنند. این کار به آنها اجازه داد اثر حرکت کوارکها بر محیط اطرافشان را بررسی کنند.
«ین-جی لی»، فیزیکدان MIT، میگوید: «اکنون میبینیم که این پلاسما فوقالعاده چگال است؛ به اندازهای که میتواند یک کوارک را کند کند و درست مانند یک مایع، پاشش و چرخش ایجاد کند. بنابراین پلاسما کوارک–گلوئون واقعاً یک سوپ نخستین است.»
وقتی کوارکها با سرعتی بسیار بالا در این محیط حرکت میکنند، بخشی از انرژی خود را به پلاسما منتقل میکنند. در نتیجه سرعتشان کاهش مییابد و در پشت سر خود ردّی ایجاد میکنند؛ مشابه موجی که قایقی تندرو در سطح دریاچه بهجا میگذارد.
کریشنا راجاگوپال، فیزیکدان MIT که مدلی نظری برای پیشبینی رفتار سیالمانند QGP ارائه کرده است، توضیح میدهد: «اگر قایقی را در حال حرکت در یک دریاچه تصور کنید، ردّی از آب پشت سر آن شکل میگیرد که در جهت حرکت قایق جریان دارد. قایق بخشی از تکانه خود را به آب منتقل میکند و ناحیهای از آب به دنبال آن به حرکت درمیآید.»
اما در پلاسما کوارک–گلوئون، مشاهده چنین ردّی بهمراتب دشوارتر از مشاهده موج در آب است. پژوهشگران نمیتوانند مستقیماً این موج را ببینند؛ بلکه باید از میان هزاران ذره که بهطور آشوبناک با یکدیگر برهمکنش دارند، نشانههای آن را استنتاج کنند. این پلاسما با دمایی در حد تریلیون درجه تنها برای یک کوادریلیونیوم ثانیه در درون برخورددهنده وجود دارد. در چنین شرایطی، جدا کردن چند ذره جابهجا شده در اثر «موج» کوارک از میان انبوهی از ذرات دیگر کاری بسیار دشوار است.
مشکل دیگر این است که کوارکها هرگز بهتنهایی تولید نمیشوند. همانطور که راجاگوپال توضیح میدهد، هر کوارک معمولاً همراه با پادکوارک خود ایجاد میشود؛ ذرهای که از نظر جرم مشابه است اما بار الکتریکی مخالف دارد. این دو در جهتهای مخالف با سرعتی یکسان از هم دور میشوند و هر یک موجی در پلاسما ایجاد میکند. همین موضوع شناسایی ردّ مربوط به یک کوارک منفرد را پیچیده میکند.
به همین دلیل، پژوهشگران به جای جستوجوی جفتهای کوارک–پادکوارک، به دنبال نوع دیگری از جفت ذرات گشتند. در برخی برخوردها، بهجای تولید پادکوارک، یک کوارک همراه با بوزون Z ایجاد میشود. بوزون Z ذرهای بنیادی و خنثی است که با پلاسما کوارک–گلوئون برهمکنش نمیکند و بنابراین موجی در آن ایجاد نمیکند. همین ویژگی باعث شد که پژوهشگران بتوانند اثر موج ایجادشده توسط تنها یک کوارک را بررسی کنند.
البته چنین رویدادهایی بسیار نادر هستند. از میان ۱۳ میلیارد برخوردی که در این مطالعه بررسی شد، تنها حدود دو هزار مورد به تولید بوزون Z انجامید. با این حال، همین تعداد محدود برای تحلیل کافی بود. چون بوزون Z با پلاسما برهمکنش نمیکند، پژوهشگران توانستند اثر کوارک منفرد را با دقت بیشتری اندازهگیری کنند.
نتایج نشان داد که همانطور که مدل نظری پیشبینی کرده بود، پلاسما کوارک–گلوئون رفتاری شبیه یک مایع دارد. این ماده در پشت کوارک موج برمیدارد، تکانه را منتقل میکند و مانند یک سیال چرخش و پاشش ایجاد میکند.
راجاگوپال این یافته را «شواهد قطعی و غیرقابل انکار» از رفتار مایعگونه QGP میداند. با این حال، او تأکید میکند که بحث قدیمی درباره اینکه آیا این پلاسما واقعاً مانند یک سیال کامل جریان دارد یا خیر، ممکن است هنوز پایان نیافته باشد. سایر پژوهشگران بیتردید نتایج را با دقت بررسی خواهند کرد.
با وجود این، روش جدید چارچوبی قدرتمند برای مطالعه فرایندهای مشابه در برخوردهای پرانرژی دیگر فراهم میکند. این رویکرد میتواند به روشنتر شدن ماهیت یکی از اسرارآمیزترین مواد در تاریخ کیهان کمک کند؛ مادهای که تنها در نخستین لحظات پس از تولد جهان وجود داشت.
راجاگوپال میگوید: «در بسیاری از شاخههای علم، برای شناخت ویژگیهای یک ماده، آن را بهنوعی دچار آشفتگی میکنیم و سپس بررسی میکنیم که این آشفتگی چگونه پخش و مستهلک میشود.» این دقیقاً همان کاری است که فیزیکدانان در برخورددهندهها انجام میدهند: آنها ماده را در شدیدترین شرایط ممکن قرار میدهند تا رفتار بنیادینش را آشکار کنند.
شاید یکی از جذابترین جنبههای فیزیک همین باشد. اگر ندانیم چیزی چگونه کار میکند، آن را با سرعتی نزدیک به سرعت نور به چیز دیگری میکوبیم و از دل این برخورد، رازهای طبیعت را بیرون میکشیم. در این مورد نیز، برخوردهای سهمگین در اعماق تونلهای برخورددهنده بزرگ هادرونی به ما کمک کردهاند تصویری روشنتر از نخستین لحظات پس از مهبانگ به دست آوریم؛ زمانی که کیهان جوان، به معنای واقعی کلمه، مانند یک سوپ داغ و چگال در حال جوشش و چرخش بود.
