اولین مواجهه با ذرات عجیب X در پلاسمای کوارک-گلوئون

در اولین میلیونم ثانیه‌های پس از انفجار بزرگ، جهان توده‌ای آشفته از پلاسمای کوارک‌ها و گلوئون‌ها بود ــ ذرات بنیادی که در زمانی بسیار کم در ترکیبات بی‌شمار به هم پیوستند، پیش از این که سرد شوند و به حالت پایدارتر در بیایند تا نوترون‌ها و پروتون‌های معمولی شکل بگیرند.

در آشوب پیش از سرد شدن، بخشی از این کوارک‌ها و گلوئون‌ها به طور تصادفی با هم برخورد کردند و ذرات ناپایدار X را تشکیل دادند ــ ذراتی که به خاطر ساختار رازآلود و نامشخص خود به این نام خوانده می‌شوند. امروز، ذرات X به شدت نادرند، گرچه فیزیکدان‌ها روی کاغذ نشان داده‌اند که این ذرات می‌توانند در شتاب‌دهنده‌های ذرات و از طریق ادغام کوارک‌هاتولید شوند؛ جایی که برخوردهای با انرژی بالا می‌توانند برای لحظاتی کوتاه پلاسمای کوارک-گلوئون (quark-gluon plasma) ایجاد کنند.

حالا فیزیکدانان آزمایشگاه علوم هسته‌ای در دانشگاه MIT و در جاهای دیگر شواهدی از ذرات X در پلاسمای کوارک-گلوئون تولید شده در برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) در سرن (سازمان پژوهش‌های هسته‌ای اروپا) در ژنو سوییس یافته‌اند.

تیم پژوهشی از تکنیک‌های یادگیری ماشین استفاده کردند تا بیش از ۱۳ میلیارد برخورد یون‌های سنگین را، که هر کدام ده‌ها هزار ذره باردار تولید کردند، غربال کنند. آن‌ها توانستند در این سوپ ابرمتراکم و پرانرژی، حدود ۱۰۰ ذره X از نوع X (3872) شناسایی کنند ــ نحوه نام‌گذاری این ذرات به جرم تخمین زده شده آن‌ها وابسته است.

این پژوهش، که نتایج آن در ژورنال Physical Review Letters چاپ شده است، اولین پژوهشی است که در آن ذرات X در پلاسمای کوارک-گلوئون شناسایی می‌شوند ــ محیطی که دانشمندان امیدوارند ساختار ناشناخته این ذرات در آن آشکار شود.

ین جیه لی (Yen-Jie Lee)، استادیار فیزیک در دانشگاه MIT و نویسنده اصلی مقاله، می‌گوید «این تازه آغاز داستان است. ما نشان داده‌ایم که می‌توان سیگنالی یافت. ما می‌خواهیم در سال‌های آینده از پلاسمای کوارک-گلوئون برای کاوش ساختار درونی ذره X استفاده کنیم. این می‌تواند نگاه ما را به این که کیهان چه نوع موادی می‌تواند تولید کند تغییر دهد.»

نویسندگان این مقاله اعضای گروه CMS هستند؛ تیمی بین‌المللی از دانشمندان که سیم‌لوله فشرده میونی (Compact Muon Solenoid)، یکی از شناساگرهای ذره LHC، را می‌گردانند و داده‌های آن را جمع‌آوری می‌کنند.

ذرات درون پلاسما

ذرات اصلی سازنده مواد نوترون‌ها و پروتون‌ها هستند که هرکدام از پیوند محکم سه کوارک ساخته شده‌اند.

لی می‌گوید «برای سال‌ها ما فکر می‌کردیم طبیعت به دلایلی اینطور انتخاب کرده بود که ذرات تنها از دو یا سه کوارک ساخته شوند.»

اخیرا فیزیکدانان نشانه‌هایی از «تتراکوارک‌های» (Tetraquarks) عجیب دیده‌اند ــ ذراتی که از ترکیب نادر جهار کوارک ساخته شده‌اند. دانشمندن گمان می‌برند که X (3872) یا یک تتراکوارک فشرده است، یا یک نوع مولکول کاملا جدید که نه از اتم‌ها، بلکه از دو مزون با پیوند ضعیف ساخته شده ــ ذرات زیراتمی که خودشان از دو کوارک ساخته شده‌اند.

X (3872) اولین بار در سال ۲۰۰۳ توسط آزمایش بِله (Belle) کشف شد ــ یک برخورددهنده ذره‌ای در ژاپن که الکترون‌ها و پوزیترون‌های انرژی بالا را به هم می‌کوبد. هرچند درون این محیط، این ذرات نادر با چنان سرعتی تجزیه شدند که دانشمندان نتوانستند ساختار آن‌ها را با جزییات بررسی کنند. فرضیه حاضر این است که X (3872) و دیگر ذرات عجیب احتمالا در پلاسمای کوارک-گلوئون بهتر آشکار می‌شوند.

لی می‌گوید «از لحاظ تئوری، مقدار کوارک‌ها و گلوئون‌های درون پلاسما به حدی زیاد است که تولید ذرات X باید افزایش یابد. اما پژوهشگران فکر می‌کردند که جستجوی آن‌ها خیلی دشوار است، چون ذرات بسیار دیگری نیز در این سوپ کوارک تولید می‌شوند.»

واقعا یک سیگنال!

لی و همکارانش در پژوهش جدید خود در پلاسمای کوارک-گلوئون ساخته شده در برخوردهای یون‌های سنگین در برخورددهنده بزرگ هادرونی در سرن، به دنبال نشانه‌های ذرات X گشته‌اند. آن‌ها تحلیل خود را بر پایه مجموعه داده‌های سال ۲۰۱۸ LHC قرار داده‌اند که بیش از ۱۳ میلیارد برخورد یون‌های سرب را در بر می‌گیرد و هرکدام از آن‌ها کوارک‌ها و گلوئون‌هایی آزاد کردند که در اثر پخش و ترکیب و پیش از خنک شدن و تجزیه، بیش از یک کوادریلیون (یک میلیون میلیارد) ذره کوتاه‌عمر تولید کردند.

لی می‌گوید «بعد از این که پلاسمای کوارک-گلوئون شکل می‌گیرد و سرد می‌شود، ذرات بسیاری شکل گرفته‌اند و پس‌زمینه مملو از آن‌هاست. در نتیجه ما باید این پس‌زمینه را در هم بشکنیم تا بتوانیم سرانجام ذرات X را در داده‌ها ببینیم.»

برای این کار، تیم تحقیقاتی از یک الگوریتم یادگیری ماشین اشتفاده کرد که برای یافتن الگوی نابودی مخصوص ذرات X آموزش داده شده بود. بلافاصله بعد از این که ذرات در پلاسمای کوارک-گلوئون شکل می‌گیرند، به ذرات «دختر» تجزیه شده و پخش می‌شوند. برای ذرات X، این الگوی تجزیه، یا توزیع زاویه‌ای، از ذرات دیگر متمایز است.

پژوهشگران، به رهبری جینگ وانج (Jing Wang) از دانشگاه MIT، متغیرهای کلیدی که شکل الگوی تجزیه ذره X را توصیف می‌کنند، شناسایی کردند. آن‌ها یک الگوریتم یادگیری ماشین آموزش دادند که این متغیرها را شناسایی کند، سپس داده‌های واقعی آزمایش‌های برخورد LHC را به این الگوریتم دادند. این الگوریتم توانست از میان داده‌های به شدت متراکم و نویزدار، متغیرهای کلیدی را که به احتمال زیاد ناشی از تجزیه ذرات X بودند بیابد.

وانگ می‌گوید «ما توانستیم پس‌زمینه را تا حد بسیاری حذف کنیم تا سیگنال را ببینیم.»

پژوهشگران روی سیگنال‌ها زوم کردند و قله‌ای با جرمی به‌خصوص دیدند که نشان از حضور ذرات X (3872) داشت ــ حدود ۱۰۰ تا در کل ذرات.

لی، که به همراه وانگ چک‌های زیادی برای اعتبارسنجی مشاهدات اجرا کرد، می‌گوید «تقریبا غیر قابل باور است که توانستیم حدود ۱۰۰ ذره را از این مجموعه داده عظیم بیرون بکشیم.»

وانگ می‌گوید «هر شب از خود می‌پرسیدم که آیا این واقعا یک سیگنال است یا نه! و سرانجام، پاسخ داده‌ها بله بود!»

در یک یا دو سال آینده، پژوهشگران قصد دارند داده‌های بسیار بیشتری را جمع‌آوری کنند که می‌توانند به روشن کردن ساختار ذره X کمک کنند. اگر ذره یک تتراکوارک فشرده باشد، سرعت تجزیه آن باید از یک مولکول با پیوند ضعیف کمتر باشد. حالا که این تیم نشان داده ذرات X را می‌توان در پلاسمای کوارک-گلوئون شناسایی کرد، قصد دارد تا این ذره را با پلاسمای کوارک-گلوئون با جزییات بیشتری کاوش کند تا از ساختار ذره X پرده بردارد.

لی می‌گوید «در حال حاضر داده‌های ما با هر دو گزینه سازگار است، چون هنوز آمار کافی نداریم. در چند سال آینده، به سراغ داده‌های بیشتری می‌رویم تا بتوانیم یکی از این دوسناریو را جدا کنیم. این موضوع دید ما را نسبت به انواع ذراتی که در کیهان اولیه به فراوانی تولید می‌شدند، گسترش می‌دهد.»