کشف یک کوارک جدید سرنخ‌های مهمی را از تولد جهان نشان می‌دهد

یک جفت «کوارک بالا» در فرآورده‌های ناشی از برخورد دو اتم سرب شناسایی شده است. این اولین بار است که این جفت خاص کوارک و آنتی‌کوارک آن در یک برخورد هسته‌ای مشاهده می‌شوند.

کشف جدید شواهدی را ارائه می‌دهد که نشان می‌دهد همه شش نوع کوارک در آغاز جهان وجود داشته‌اند. این وضعیت در یک حالت خاص به نام «پلاسمای کوارک-گلوئون» وجود داشت؛ حالتی که تصور می‌شود در لحظات اولیه پس از بیگ بنگ تمام جهان را پر کرده بود. این یافته ما را یک قدم به سمت اندازه‌گیری‌های جدید از ترکیب جهان اولیه نزدیک‌تر می‌کند و بینش‌های تازه‌ای درباره چگونگی شکل‌گیری جهان‌مان در انفجار بزرگ ایجاد می‌کند.

حالت پلاسمای کوارک-گلوئون زمانی به وجود می‌آید که کوارک‌ها و گلوئون‌های بنیادی که معمولاً در پروتون‌ها و نوترون‌ها محبوس هستند، از قید و بند خود آزاد و در شرایط بسیار پرانرژی با یکدیگر ترکیب شوند و یک سوپ آزاد و متعامل را شکل دهند.

یکی از چالش‌های مطالعه این حالت ماده آن است که کوارک‌ها بسیار سریع دچار واپاشی می‌شوند و تنها در کسری از ثانیه قابل مشاهده هستند. پلاسمای کوارک-گلوئون که پس از بیگ بنگ شکل گرفت، پیش از آنکه ذرات به هم بپیوندند و شروع به تشکیل ماده عادی کنند (فرآیندی که به آن هادرونی‌سازی گفته می‌شود)، تنها برای چند میلیونیم ثانیه وجود داشت.

فیزیکدان‌ها برای بررسی پلاسمای کوارک-گلوئون، از شتاب‌دهنده‌های ذرات مانند «شتاب‌دهنده هادرونی بزرگ» استفاده می‌کنند تا ذرات سنگین را به هم برخورد دهند. این برخوردها به تولید جریانی از ذرات منجر می‌شود که در مسیر خود به سمت تشکیل ماده‌ی معمولی، از حالت پلاسمای کوارک-گلوئون عبور می‌کنند. با اندازه‌گیری نتایج این فرآیند، دانشمندان قادرند به مطالعه پلاسمای کوارک-گلوئون بپردازند.

کوارک‌های بالا به عنوان سنگین‌ترین نوع از شش طعم کوارک شناخته می‌شوند و ابزارهای ارزشمندی برای بررسی تکامل پلاسمای کوارک-گلوئون به حساب می‌آیند. بااین‌حال، به دلیل سنگینی آن‌ها، عمرشان بسیار کوتاه است و تنها حدود ۱۰ به توان ۲۵- ثانیه دوام دارند. این مدت کمتر از زمان لازم برای تشکیل هادرون است، یعنی آنها قبل از اینکه فرآیند هادرونی‌شدن آغاز شود، وا می‌پاشند.

پلاسماي کوارک-گلوئون که در برخورد یون‌های سنگین تولید می‌شود، حدود ۱۰ به توان ۲۳- ثانیه پایدار می‌ماند؛ بنابراین کوارک‌های بالا قبل از اینکه این پلاسما به طور کامل شکل بگیرد، ناپدید می‌شوند و این موضوع مطالعه آن‌ها را به شدت چالش‌برانگیز می‌کند.

معمولاً ذراتی که فیزیکدان‌ها به دنبال آنها هستند به طور مستقیم شناسایی نمی‌شوند، بلکه از طریق محصولاتی که در نتیجه‌ی واپاشی آنها به وجود می‌آید، ردیابی می‌شوند. این نکته در تحقیق جدید نیز مشاهده شده است. در شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی، تیمی از فیزیکدان‌ها با همکاری تیم ATLAS موفق شدند تشکیل یک جفت کوارک بالا را از طریق محصولات تجزیه‌ای آنها در کانال تجزیه دی‌لپتون شناسایی کنند.

در این فرآیند، کوارک‌های بالا به یک کوارک پایین و یک بوزون W تبدیل می‌شوند. سپس بوزون W به یک نوترینو یا یک الکترون و یا میون وا می‌پاشد. محققان این فرآیند را با دقت آماری ۵٫۰۳ سیگما شناسایی کرده‌اند. معمولاً برای تأیید یک کشف، نیاز به حداقل ۵ سیگما وجود دارد؛ درنتیجه این نتیجه به عنوان کشفی معنادار شناخته می‌شود.

محققان در مقاله خود می‌نویسند: «مشاهده این فرآیند شواهدی که ادعا دارند تمامی طعم‌های کوارک در مرحله پیش‌تعادل پلاسمای کوارک-گلوئون وجود دارد، تقویت می‌کند؛ مشابه شرایطی که در اوایل جهان وجود داشته است.»

محققان همچنین اضافه می‌کنند: «این یافته، مسیر را برای تحقیقات بیشتر درباره پلاسمای کوارک-گلوئون و فیزیک اوایل جهان با استفاده از کوارک‌های بالا هموار می‌سازد.»

تحقیق به‌صورت پیش‌انتشار در پایگاه داده آرکایو در دسترس است و در نشریه فیزیکال رویو لترز منتشر خواهد شد.