اكتشف علماء CERN نظامًا خفيًا داخل فوضى الجسيمات

تبدو اصطدامات البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) فوضوية إلى حد كبير، لكن البيانات الجديدة تكشف عن نظام أساسي مفاجئ. تؤكد النتائج أن القاعدة الأساسية لميكانيكا الكم تنطبق حتى في حالات تصادم الجسيمات الشديدة.

يمكن تصور اصطدامات البروتونات عالية الطاقة على أنها بحر يغلي من الكواركات والجلونات، بما في ذلك الكواركات الافتراضية قصيرة العمر. في هذه المرحلة القصوى، يبدو أن الجسيمات لديها طرق أكثر بكثير للتفاعل والتغير من العدد الأصغر من الجسيمات الأكثر انتظامًا والتي انتشرت لاحقًا من نقطة الاصطدام. للوهلة الأولى، تبدو هذه المرحلة المبكرة أكثر تعقيدًا إلى حد كبير. ومع ذلك، تظهر القياسات المأخوذة من مسرّع LHC أن هذه الصورة غير مكتملة وأن تصادمات البروتونات يمكن تفسيرها بشكل أفضل من خلال نموذج نظري محسّن.

تحدث كمية هائلة عندما تتصادم البروتونات عند طاقات عالية جدًا. البروتونات هي هادرونات، أي مجموعات من البارتونات، والتي تشمل الكواركات والغلوونات التي تربطها ببعضها البعض. عندما يصطدم بروتونان ببعضهما البعض بكمية كافية من الطاقة، تخضع كواركاتهما وجلوناتهما، بما في ذلك الكواركات الافتراضية التي توجد لفترة وجيزة فقط، لشبكة من التفاعلات المعقدة. وعندما يبرد النظام، تتحد الكواركات لتشكل هادرونات جديدة تطير بعيدًا عن منطقة الاصطدام ويتم اكتشافها عن طريق التجارب.

بناءً على هذا التسلسل، يبدو من الطبيعي أن نتوقع أن إنتروبيا الهادرونات المنتجة، والتي تصف عدد الحالات المختلفة التي يمكن للنظام أن يشغلها، ستختلف عن الإنتروبيا خلال مرحلة البارتون السابقة. تبدو هذه المرحلة الأولية فوضوية بشكل خاص، حيث تتفاعل العديد من الكواركات والجلونات في وقت واحد.

رؤى جديدة حول الإنتروبيا في LHC

تم نشر أحدث الأبحاث التي تفحص الإنتروبيا في كل من الهادرونات والبارتونات أثناء تصادمات البروتونات في عام 2010 المراجعة البدنية د. أجرى الدراسة البروفيسور كرزيستوف كوتاك والدكتور ساندور لوكوس من معهد الفيزياء النووية التابع للأكاديمية البولندية للعلوم (IFJ PAN) في كراكوف.

“في فيزياء الطاقة العالية، تم استخدام ما يسمى بنماذج ثنائي القطب لبعض الوقت لوصف تطور أنظمة الغلوونات الكثيفة. تفترض هذه النماذج أنه يمكن تمثيل كل غلوون بواسطة زوج من الكوارك والكوارك المضاد الذي يشكل ثنائي القطب من لونين – نحن هنا لا نتحدث عن الألوان العادية، ولكن شحنة اللون التي هي خاصية كمومية للغلوونات. نماذج ثنائي القطب المستندة إلى متوسط عدد الهادرونات المنتجة في الاصطدام تسمح لنا بتقدير إنتروبيا البارتونات “. البروفيسور كوتاك، الذي أمضى أكثر من عقد من الزمن في دراسة إنتروبيا أنظمة الكوارك غلوون المعقدة.

تحسين نموذج ثنائي القطب

قبل عامين، عمل البروفيسور كوتاك مع الدكتور باول كابوتا من جامعة ستوكهولم لتطوير نسخة معدلة من النموذج ثنائي القطب. تعامل نهجهم مع أحد الأوصاف الموجودة لتطور نظام الغلونات باعتباره الإطار السائد، ثم أضاف تأثيرات إضافية أصبحت مهمة عند طاقات الاصطدام المنخفضة، حيث يتم إنتاج عدد أقل من الهادرونات. كانت هذه الخطوة إلى الأمام ممكنة بعد أن تعرف الباحثون على الروابط بين المعادلات المستخدمة في النماذج ثنائية القطب وتلك الموجودة في نظرية التعقيد.

للتحقق مما إذا كان هذا النموذج ثنائي القطب المعمم مطابقًا للواقع، اقترح الدكتور لوكوس مقارنته بالبيانات التجريبية التي تم جمعها في LHC. اعتمد التحليل على قياسات من أربع تجارب رئيسية: ALICE، وATLAS، وCMS، وLHCb. تغطي هذه البيانات معًا نطاقًا واسعًا من طاقات الاصطدام، بدءًا من 0.2 تيرا إلكترون فولت وحتى 13 تيرا إلكترون فولت، وهي أعلى طاقة تصل إليها البروتونات حاليًا في مصادم الهادرون الكبير.

يؤكد البروفيسور كوتاك: “في مقالتنا، نوضح أن نموذج ثنائي القطب المعمم يصف البيانات الموجودة بشكل أكثر دقة من نماذج ثنائي القطب السابقة، علاوة على ذلك، يعمل بشكل جيد في نطاق أوسع من طاقات تصادم البروتونات”.

ما يكشفه الإنتروبيا عن ميكانيكا الكم

هذه النتيجة تعيد المناقشة إلى سؤال مركزي. أثناء اصطدامات البروتونات، هل تختلف الإنتروبيا في الطور التي تهيمن عليها تفاعلات الكواركات والغلوونات عن إنتروبيا الهادرونات التي تهرب لاحقًا من موقع الاصطدام؟ وفقا لصيغة خارزيف-ليفين للإنتروبيا، لا ينبغي أن يكون الأمر مختلفا. وتؤكد النتائج الجديدة هذه الفكرة. وفي حين أن النتيجة فاجأت بعض الفيزيائيين، إلا أن آخرين اعتبروها نتيجة طبيعية لأحد المبادئ الأساسية لميكانيكا الكم، والمعروفة باسم الوحدة.

قد تبدو الوحدة مجردة، ولكن المفهوم نفسه واضح ومباشر. إن المعادلات التي تحكم كيفية تطور النظام الكمي بمرور الوقت يجب أن تحافظ على الاحتمالية الإجمالية، والتي تضيف دائمًا ما يصل إلى واحد، ويجب أن تسمح للعمليات بأن تكون قابلة للعكس. بعبارات بسيطة، الوحدة تعني أن الاحتمالية والمعلومات لا يمكن أن تختفي أو تظهر من العدم.

يقول البروفيسور كوتاك: “إن وحدة ميكانيكا الكم هي شيء يتعلمه طلاب الفيزياء. وتعتمد شكليات الديناميكا اللونية الكمومية، وهي النظرية التي تصف عالم الكواركات والجلونات، على الوحدة. ومع ذلك، فإن التعامل مع نظرية تظهر سمة معينة على مستوى الكواركات والجلونات على أساس يومي، شيء آخر، ومراقبتها في بيانات حقيقية عن الهادرونات المنتجة شيء آخر تمامًا”. ويشير إلى أن الوحدة هي ما يجعل من الممكن استنتاج معلومات حول إنتروبيا البارتون عبر نطاق واسع من طاقات الاصطدام.

الاختبارات المستقبلية مع التجارب المطورة

ومن المتوقع إجراء اختبارات إضافية للنموذج ثنائي القطب المعمم في العقد المقبل، بعد الترقية المخطط لها لمسرع LHC. سيسمح كاشف ALICE المحسّن للالعلماء بدراسة المناطق التي تكون فيها تفاعلات الغلونات أكثر كثافة من تلك التي تم استكشافها حتى الآن.

ويتطلع الباحثون أيضًا إلى بيانات من مصادم الإلكترون والأيونات (EIC)، قيد الإنشاء الآن في مختبر بروكهافن الوطني في الولايات المتحدة الأمريكية. في EIC، سيتم اصطدام الإلكترونات بالبروتونات. ونظرًا لأن الإلكترونات جسيمات أولية، فإن هذه التجارب ستوفر طريقة قوية لفحص أنظمة الغلوونات الكثيفة داخل البروتونات الفردية.

المرجع: “الإنتروبيا وتعدد الهادرونات في حدود الطاقة العالية ضمن نماذج متتالية ثنائية القطب” بقلم كرزيستوف كوتاك وساندور لوكوس، 14 نوفمبر 2025، المراجعة البدنية د.
دوى: 10.1103/23wn-66np

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.