رؤية الجسيمات تخرج من الفضاء الفارغ لأول مرة

قد يكون زوج من الجسيمات النادرة الناتجة عن تصادمات البروتونات عالية الطاقة أوضح دليل حتى الآن على أن الكتلة يمكن أن تنشأ من الفضاء الفارغ. يمكن لهذا الاكتشاف أن يسلط الضوء على أحد أكبر الألغاز في الفيزياء: كيف تكتسب الجسيمات كتلتها.

وفقًا للديناميكا اللونية الكمومية (QCD) – التي تُعتبر على نطاق واسع أفضل نظرية لدينا لوصف القوة القوية، التي تربط الكواركات داخل البروتونات والنيوترونات – فحتى الفراغ المثالي ليس فارغًا حقًا. وبدلاً من ذلك، فهو مليء باضطرابات قصيرة الأمد في الطاقة الكامنة في الفضاء والتي تومض داخل وخارج الوجود، والمعروفة باسم الجسيمات الافتراضية. ومن بينها أزواج الكوارك والكوارك المضاد.

في ظل الظروف العادية، تختفي هذه الأزواج العابرة بمجرد ظهورها تقريبًا. ولكن إذا تم حقن ما يكفي من الطاقة في الفراغ، يتوقع QCD إمكانية تعزيزها إلى جسيمات حقيقية يمكن اكتشافها ذات كتلة قابلة للقياس.

الآن، قام فريق STAR التعاوني – وهو فريق دولي من الفيزيائيين الذين يعملون في مصادم الأيونات الثقيلة النسبية في مختبر بروكهافن الوطني في ولاية نيويورك – بمراقبة هذه العملية لأول مرة.

قام الفريق بتحطيم البروتونات عالية الطاقة معًا في الفراغ، مما أدى إلى إنتاج رذاذ من الجسيمات. يجب أن تكون بعض هذه الجسيمات عبارة عن أزواج من الكواركات والكواركات المضادة يتم سحبها مباشرة من الفراغ نفسه، لكن الكواركات لا يمكن أن توجد بمفردها أبدًا وتتحد على الفور لتشكل جسيمات مركبة.

ولحسن الحظ بالنسبة للفريق، فإن هذه الجسيمات المحددة تحمل فكرة عن أصولها. تولد الكواركات والكواركات المضادة مع دورانها المغزلي المترابطة، وهو محاذاة كمومية مشتركة موروثة من الفراغ.

ووجد الباحثون أن هذا الارتباط يستمر حتى بعد أن تصبح الكواركات والكواركات المضادة جزءًا من جسيمات أكبر تسمى هايبرونات، والتي تضمحل في أقل من عُشر جزء من المليار من الثانية. إن اكتشاف هذه الهايبرونات المحاذية للدوران في أعقاب اصطدامات البروتونات سمح للباحثين بالتأكد من أن الكواركات الموجودة بداخلها جاءت من الفراغ.

يقول تشودونمينج تو، عضو تعاون STAR: “هذه هي المرة الأولى التي نرى فيها العملية برمتها”.

يقول دانييل بوير، من جامعة جرونينجن في هولندا، والذي لم يشارك في هذا العمل: “أنا سعيد جدًا برؤية هذا القياس”. ويقول إنه لا يزال هناك العديد من الألغاز حول الكواركات، مثل سبب عدم وجودها بمفردها. “وهذا ما يجعل هذه التجربة مثيرة للاهتمام بشكل خاص.”

يعتقد تو أن هذا العمل يفتح طريقة جديدة لفحص خصائص الفراغ بشكل مباشر، على أمل السماح للعلماء بدراسة كيفية اكتساب الجسيمات للكتلة. تتنبأ نظرية QCD بأن الكواركات تكتسب المزيد من ثقلها من خلال التفاعل مع الفراغ نفسه، ولكن كيفية القيام بذلك غير واضحة.

يقول أليساندرو باكيتا من جامعة بافيا في إيطاليا إن النتيجة ليست نهائية بعد، لأن إعادة بناء الأحداث من تصادمات الجسيمات يمكن أن تكون معقدة. ويقول إنه يجب على الباحثين أولًا أن يستبعدوا بشكل شامل الاحتمالات الأخرى التي كان من الممكن أن تؤدي إلى نفس الإشارة.