القوة القوية تجعل ذراتنا متماسكة.

القوة القوية هي لغز. من خلال الغلوونات ، فإنها تربط الكواركات معًا ، وهي إحدى اللبنات الأساسية للمادة ، في البروتونات والنيوترونات في مركز كل ذرة. طبقًا لاسمه ، فهو أقوى أربع قوى أساسية معروفة ، لكنه يبذل قوته فقط عبر مسافات دون ذرية. على الرغم من قوتها وأهميتها ، فإن القوة القوية هي أصعب قوة يمكن ملاحظتها أثناء العمل ، ويكاد يكون من المستحيل التنبؤ بسلوكها رياضيًا.

الآن مجموعة من العلماء في مختبر Brookhaven الوطني في Long Island قد التقطوا لمحة جديدة وغير متوقعة للقوة القوية في العمل – وهو أمر غير متوقع لدرجة أن المنظرين ابتكروا نماذج جديدة لتفسيرها. إذا كان المنظرون على حق ، فإن هذه التجربة هي القياس الأول لكيفية تذبذب مجال القوة الشديدة على مسافات قصيرة. نُشرت النتائج في 18 يناير في مجلة Nature.

يقول أيونج تانج ، أحد علماء الفيزياء في بروكهافن الذين أجروا الدراسة الجديدة: “هذا التقلب المحلي في مجال القوة القوية ، لا نعتقد أنه تم قياسه من قبل”. سيسمح للعلماء “بدراسة القوة القوية من منظور مختلف.”

في سعيها لمراقبة القوة الشديدة ، أنفقت الدول في جميع أنحاء العالم مليارات الدولارات في مسرعات الجسيمات التي تفكك الذرات في تصادمات نارية. هنا ، يتم تحرير الكواركات والغلوونات لأجزاء صغيرة من الثانية في حساء من البلازما ، ثم يتحدان في جسيمات جديدة نادرًا ما تُرى عندما تبرد كرة النار.

واحدة من هذه الجسيمات الغريبة ، تسمى phi meson ، تقع في قلب هذه النتائج المربكة الأخيرة. على عكس البروتونات والنيوترونات ، المكونة من ثلاثة كواركات ، تتكون الميزونات من كوارك واحد وكوارك مضاد واحد. تأتي الكواركات في ستة “نكهات” مختلفة ، ويتكون phi meson من زوج كوارك – مضاد كوارك له نفس النكهة ، يسمى غريب.

أراد العلماء معرفة ما إذا كان الزخم الدوامي لحساء الكوارك-غلوون ، في اللحظة التي تلي الاصطدام ، قد يتسبب في دوران الفاي ميزون معه ، مثل كرة الشاطئ في دوامة. هذا التأثير ، المسمى استقطاب الدوران ، لم يكن معطى ولكن شوهد في جسيمات غريبة أخرى. كان الباحثون يأملون أن قياس ما إذا كانت الجسيمات مقترنة بالكواركات المتضخمة والغلوونات وكيف يمكن أن تقدم لمحة لا مثيل لها عن كيفية تجميع القوة القوية للمادة المرئية من حولنا.

هذه المهمة ليست بالأمر السهل ، فهي تتطلب برنامجًا آليًا (وعلماء ذوي عيون حادة) لتحديد الميزونات الفيزيائية من آلاف الجسيمات الجديدة التي ينتجها كل تصادم. يقول كارل سليفر ، عالم الفيزياء النووية بجامعة نيو هامبشاير ، “إنها مثل شاحنتي قمامة تتصادمان ، ثم تتطاير كل القمامة ، وتريد أن تشاهد تفاحة وموزة تحلق في اتجاهين مختلفين” ، الذين لم يشاركوا في التجربة الجديدة. “إنها مجرد كمية هائلة من المعلومات لمجرد التدقيق فيها.”

بعد العثور على محجرهم المراوغ ، رأى العلماء شيئًا غير متوقع تمامًا. كانت ميزونات فاي تدور بالفعل جنبًا إلى جنب مع حساء الكوارك-غلوون ولكن بطرق بعيدة جدًا عن التنبؤات النظرية.

وإليك كيفية عمل هذه التنبؤات: يمكن أن تدور Phi mesons في واحد من ثلاثة اتجاهات. إذا لم يتأثر دورانها بمجموعة الجسيمات الدوامة هذه ، فسيكون كل اتجاه من اتجاهات الدوران هذه شائعًا بشكل متساوٍ – كل منها يظهر في حوالي ثلث الوقت. حتى الانحراف البسيط عن احتمالات الثلث تلك يشير إلى أن دوران فاي ميزون قد تأثر بالزخم الدائر حوله.

ما رآه الباحثون بدلاً من ذلك كان انحرافًا هائلاً عن احتمال الثلث ، أكبر 1000 مرة مما يمكن أن تفسره النماذج التقليدية. المتغيرات المعتادة ، مثل التداخل المتغير في الدوران من المجالات الكهرومغناطيسية ، لا يمكن أن تفسر مثل هذا الاختلاف الكبير. أعلن الفريق نتائجه الأولية في عام 2017 ، مما أثار حيرة المنظرين.

تقول شين نيان وانج ، عالمة الفيزياء النظرية في مختبر لورانس بيركلي الوطني في كاليفورنيا ، والتي لم تشارك في تجارب بروكهافن الأولية ولكنها ساعدت في مراجعة النظراء أوراق الإبلاغ عن النتائج. “لم أصدقهم في ذلك الوقت:” لا ، هذا لا يصدق. هذا كبير جدا ، “يتذكر.

لكن فريق Brookhaven المتشكك بنفس القدر أجرى التحليل مرارًا وتكرارًا ، ووصل في كل مرة إلى نفس النتيجة التي تبدو مستحيلة. يقول وانج: “ثم أدركنا أنه قد يكون شيئًا لم نفهمه نحن ، كمنظرين ،”.

لقد فات المنظرون شيئًا كبيرًا: قد لا تكون الحقول الكهرومغناطيسية قوية بما يكفي للتأثير على دوران phi mesons ، ولكن ماذا عن الحقول التي تولدها القوة القوية؟ يتم إنشاء الحقول بواسطة الجسيمات المشحونة المتحركة. مثلما تنشأ المجالات الكهرومغناطيسية من حركة الإلكترونات ، تنشأ مجالات قوية من الكواركات والغلونات المتحركة. تجاهلت النماذج الموجودة مسبقًا بشكل أساسي إمكانية وجود مجالات قوية لأن تأثيراتها عادة ما تكن غير ذي صلة. حتى عبر المسافات دون الذرية النموذجية ، فإن الحركات العشوائية للكواركات والغلوونات التي من شأنها أن تخلق مثل هذه الحقول ستلغي ، مما يؤدي إلى عدم حدوث أي تأثير على النظام بشكل عام.

ولكن على المقاييس بالغة الصغر – فكر في مسافات أصغر من مدى البروتون المتناهي الصغر – قد تكون التفاصيل التراكمية لكل تلك الحركات العشوائية مهمة في الواقع. هذا ما اقترحه وانج وزملاؤه في دراسة ما قبل الطباعة الحديثة: حركة الميزونات phi نفسها تخلق مجال قوة قويًا تؤثر تقلباته الضئيلة على استقطاب الميزون الدوراني.

يقول بيدانجاداس موهانتي ، أحد الباحثين المشاركين في تجربة بروكهافن والفيزيائي في المعهد الوطني لتعليم العلوم والبحوث في الهند: “لا توجد نظرية أخرى يمكن أن تفسر القياسات”.

إذا كانت هذه الفكرة صحيحة ، فإن تجارب Brookhaven تمثل المرة الأولى التي لاحظ فيها الفيزيائيون مثل هذه التقلبات في مجال القوة القوية. “هذا جديد تمامًا. أعتقد أن العواقب ربما تكون بعيدة المدى ، “يقول وانج.

بالنسبة للمبتدئين ، “يخبرك هذا الكتاب بالكثير والكثير من المعلومات” حول ما يحدث مع التفاعلات القوية في كرة الكوارك-جلون النارية ، كما يقول كون وانج ، عالم الفيزياء النظرية بجامعة العلوم والتكنولوجيا بالصين وأحد أعضاء شركة شين نيان وانج. – المؤلفون في ورقة ما قبل الطباعة الأخيرة. يعد فهم هذه التفاعلات ، في معظم النواحي ، الهدف الأكثر إلحاحًا لتجارب مسرع الجسيمات اليوم.

لاختبار الفرضية الجديدة ، يخطط علماء Brookhaven لإعادة إنشاء تجربتهم بميزون مختلف ، يسمى J / psi meson ، والذي يتكون من زوج كوارك-مضاد كوارك له صالح مختلف. إذا كان بإمكان phi mesons أن تضيف إلى مجال القوة القوية ، فيجب على أبناء عمومتها أيضًا – ويجب أن تتأثر استقطابات دوران J / psi بالمثل بالتقلبات الناتجة.

على الرغم من التعامل مع الفيزياء دون الذرية ، فإن مثل هذا العمل لن يكون بالأمر الهين. إن تتبع أصغر حركات الجسيمات سريعة الزوال في دوامة بلازما تريليون درجة مئوية يشبه إعادة بناء الشمعة الأقصر والأكثر سطوعًا من الرماد وحده. يقول موهاني: “يجب أن تقدر التحدي”. إن محاولة أي شخص القيام بذلك على الإطلاق تشهد على الحقائق الأساسية التي قد تجعلها في متناول اليد: رؤية أفضل للقوة التي تربطنا جميعًا معًا حرفيًا.