تابعِ هم‌بستگیِ کوانتومی^۱ ذراتی که به تازگی از برخورد دو باریکهٔ پروتونی و سربی تولید می‌شوند، شکلی بر آمده دارد. این ذرات از آزمایش ^۲CMSدر برخورد دهنده بزرگ هادرونی (Large Hadron Collider) که در سِرن واقع است تولید می‌شود. طبق گفته نظریه پرداز‌ان در آمریکا این بر‌آمدگی ممکن است نشان‌دهنده شکلی شناخته شده از ماده تحتِ عنوان «رسوبِ شفافِ رنگی» باشد.

این اولین باری نیست که چنین همبستگی‌هایی‌ میان بقایایِ برخورد‌ها مشاهده می‌شود. در سال ۲۰۰۵ فیزیک‌دانان روی برخورد دهندهٔ یون‌های نسبیتیِ سنگین (RHIC) در آزمایشگاه ملی بِروکهَوِن در نیو‌یورک کار می‌کردند. در آن زمان آن‌ها دریافتند که ذرات تولید شده از برخورد‌ِ باریکه‌های شاملِ هسته‌های طلا، تمایل دارند به طور عرضی در زاویه‌ٔ کوچکی نسبت به امتداد دو باریکه پخش شوند. در سال ۲۰۱۰ هم‌بستگی‌های مشابهی در نتیجهٔ برخورد‌ِ باریکه‌های پروتون-پروتون دیده شد. همچنین در سال بعد چنین هم‌بستگی‌هایی در برخوردِ دو باریکه سرب مشاهده شد. به بخش‌های a و  b در شکل زیر نگاه کنید.

برآمدگیِ رمزآلود یک بار دیگر ظاهر می‌شود.

مشاهده برآمدگی‌ها

هنگامی که نمودارِ تعداد ذرات بر‌حسبِ ΔΦ (زاویهٔ گسیل عرضی دو ذره نسبت به هم) و Δη (زاویه راستای گسیل هر ذره نسبت به محورِ باریکه) رسم شود، هم‌بستگی به شکل برآمدگیِ مشخص ظاهر می‌شود. اکنون این برآمدگی در برخورد‌های سر به سرِ پروتون-سرب برای اولین بار دیده شده است. شکل بالا بخشc  را ببینید.

اگرچه مشاهدهٔ برآمدگی‌ها در آزمایش‌های گوناگون یک دلیل دارد اما نظریه ‌پردازان  اعتقاد دارند که این برآمدگی‌ها بیش از یک علت دارد. وقتی دو هسته (برای مثال هسته اتم سرب و هسته اتم طلا) با هم برخورد می‌کنند، می‌توانند محیطی چگال، داغ، شبیه پلاسمای گلوئون-کوارک تولید کنند. تصور می‌شود این نوع پلاسما درست پس از انفجار بزرگ وجود داشته است. احتمالاً حرکت این پلاسما، ذرات را در ساختاری برآمده شکل، هم‌بسته می‌کند.

از سوی دیگر برخورد‌های سر به سر پروتون-پروتون، پلاسمای گلوئون-کوارک تولید نمی‌کنند. بنابراین نظریه‌ پردازان توضیحات دیگری برای برآمدگی مطرح کرده‌اند. یک ایده توسط راجو وِنوگوپالان در آزمایشگاه ملی بِروکهَوِن در آمریکا و کِوین دوسلینگ در دانشگاه ایالات کالیفرنیا شمالی ارائه شد. طبق این ایده هم‌بستگیِ برآمده، یک نوع درهم‌تنیدگیِ کوانتومیِ غیر معمول است. در این حالت، ذرات تولید شده در اثر برخورد سر به سر باریکه‌های پروتونی، اطلاعاتِ حالت پروتون‌های اولیه را حمل می‌کنند.

ازدحامِ ذرات

در انرژی‌های بسیار بالا، پروتون‌ها می‌توانند به حالاتی کوانتومی گذار کنند که این حالات تنها شامل سه کوارک نمی‌باشد بلکه می‌تواند حاوی تعدادِ زیادی از گلوئون‌ها نیز باشد^۳. این گلوئون‌ها حامل‌های نیرو‌ قوی هستند. وِنوگوپالان و دوسلینگ فکر می‌کنند این ازدحامِ گلوئون‌ها در برخورد‌های سر به سر پروتون-پروتون در آزمایش CMS به قدری چگال می‌شوند که به حالتی در اصطلاح «پرشده‌گیِ ماکزیمومِ فضا» می‌رسند. به این حالت اشباع نیز می‌گویند. به تبع این اشباع، ماده‌ای در اصطلاح «رسوبِ شفافِ رنگی» ایجاد می‌شود. این شکل از ماده کاملاً فرضی و بحث برانگیز است. اما در عین حال، می‌تواند مسائل مشخصی در فیزیک انرژی بالا را توضیح دهد. برای مثال، چگونگی تولید ذرات در اثر برخورد‌ها را بیان می‌کند.

این دلیل (وجودِ رسوبِ شفافِ رنگی) برای توجیه برآمده‌گی ظاهر شده در نمودارِ مربوط به داده‌های برخورد سر به سر پروتون-پروتون (از آزمایش CMS) قابل قبول همگان نمی‌باشد. به هر حال کمی قبل از انتشار آخرین نتایج داده‌های آزمایشCMS   وِنوگوپالان و دوسلینگ پیش‌بینی کردند که اگر رسوب در برخورد‌های پروتون- پروتون وجود داشت، این رسوب بایستی همچنین در برخورد‌های پروتون-سرب نیز به وجود آید. به عبارت دیگر نظریه پردازن پیش‌بینی کردند، شباهت بین دو برآمدگی در برخورد‌های پروتون-سرب و پروتون-پروتون بیشتر از شباهت بین دو برآمدگی در برخورد‌های سرب-پروتون و سرب-سرب می‌باشد. این شباهت بیشتر بین دو برآمدگی در برخورد‌های پروتون-سرب و پروتون-پروتون نتیجهٔ پلاسمای گلوئون-کوارک است.

وِنوگوپالان و دوسلینگ می‌گویند که داده‌های جدید آزمایش CMS با پیش‌بینیِ‌ آن‌ها تطابق دارد. آن‌ها در حال آماده کردن یک مقاله هستند تا نتایج خود را بیان کنند. وِنوگوپالان می‌گوید: آنالیزهای دقیق‌تر، درستی نظریه‌های ما را بیشتر نشان می‌دهد. همچنین این آنالیر‌ها رفتار جمعی و جالب حالت‌های گلوئونی را که سازنده ساختار ماده در انرژی‌های بالا می‌باشد، تأیید می‌کند.

۱- در مکانیک کوانتومی، ضرب داخلیِ دو کتِ حالت وابسته به دو ذرهٔ متناظر بیان کننده هم‌بستگی کوانتومی است.

۲- Compact Muon Solenoid یک آشکار‌ساز است که مسئول بررسی و مشاهدهٔ آزمایش‌هایی شامل به هم کوبیدن باریکه‌های پروتون-پروتون و... است.

۳- در حالت معمول هر پروتون شامل دو کوارک به اسم Up و یک کوارک به اسم Down  است.

منبع:

Unexpected 'ridge' seen in CMS collision data again - physicsworld.com

مرجع:

[1210.5482] Observation of long-range near-side angular correlations in proton-lead collisions at the LHC