در برخورد دهنده‌ی بزرگ هادرونی (LHC)، باریکه هایی از یون‌های سرب در محدوده انرژی چند ترا الکترون-ولت به هم کوبیده می‌شوند تا سوپی از گلوئون‌ها و کوارک‌ها را تحت عنوان پلاسمای گلوئون-کوارک تولید کنند. اندازه‌گیری دمای این پلاسما با توجه به زمان کم بقای پلاسما (زمانی در حدود ^۲۳-۱۰ ثانیه) و هم‌چنین گرمای فوق‌العاده آن (گرمای این پلاسما از گرمای درون خورشید بیشتر است)، توسط دماسنج‌های معمولی غیرممکن است. در اثر برخورد باریکه‌ی یون‌های سرب، علاوه بر پلاسمای گلوئون-کوارک، ذرات جدیدی تولید می‌شوند. محققان با بررسی اثرات این پلاسما روی این ذرات جدید، دمای پلاسمای گلوئون-کوارک را اندازه‌گیری می‌کنند. اکنون افرادی که روی آزمایش‌های مربوط به آشکارساز CMS در برخورد دهنده‌ی بزرگ هادرونی کار می‌کنند، طی گزارشی در مجله Physical Review Letters، بیان می‌کنند که به کمک مزون^‌های آپسیلون (متشکل از یک کوارک bottom و یک آنتی کوارک bottom) موجود در پلاسمای گلوئون-کوارک، دمای پلاسما را اندازه‌گیری می‌کنند. محققان آزمایش CMS به طور آماری «نابودی» دو حالت برانگیخته‌ی اول مزون‌های آپسیلون را بررسی کرده‌اند. گفتنی است که این نابودی حالت‌های مزونی در دماهای بالاتر پلاسما بیشتر نمود پیدا می‌کند [1].

مزون‌های آپسیلون (که با حرف Υ نشان داده می‌شوند) نوعی کوارکونیوم با طول عمر کوتاه هستند. این مزون‌ها از برخورد‌های باریکه ذرات با انرژی بالا تولید می‌شوند. اگر از لحاظ ساختاری به آن‌ها نگاه کنیم، کوارکونیوم‌ها (متشکل از یک کوارک و آنتی کوارک) ساختاری مشابه پوزیترونیوم‌ها (متشکل از یک الکترون و یک پوزیترون) دارند. اما شایان ذکر است علاوه بر وجود پتانسیل کولونی بین دو کوارک در ساختار کوارکونیوم‌ که به شکلa_cr^-1  می‌باشد ( a_c ثابت جفت‌شدگی بر اساس تبادل یک تک گلوئون می‌باشد)، پتانسیل دیگری نیز به شکل sr حضور دارد. از این پتانسیل می‌توان به تنش کشسانی که در طناب وجود دارد تعبیر کرد. در پلاسمای گلوئون-کوارک این دو پتانسیل نمود ضعیفتری دارند. به بیان صریح‌تر، این پلاسما نیروی بین کوارک‌ها در کوارکونیوم (یک حالت مقید) را محو می‌کند.

در اواسط دهه ۱۹۸۰، Tetsuo Matsui و Tetsuo ،Matsui  از نظریه پردازان فیزیک ذرات بنیادی، پیش‌بینی کردند که به عنوان نتیجه‌ای از این اثر محو شدگی، اگر در به هم کوبیدن باریکه‌ی یون‌های سنگین پلاسمای گلوئون-کوارک تولید شود، حالت‌های کوارکونیوم بسیاری کم‌تری آشکارسازی می‌شوند (نابودی کوارکونیوم‌ها) [2]. نابودی به این معنی نمی‌باشد که کواکونیوم‌ها وجود ندارند اما تعداد حالت‌های کوارکونیوم‌ از مقداری که انتظار داریم بسیار کم‌تر است. به‌دلیل اینکه یا زوج کوارک-آنتی‌کوارک تشکیل نمی‌شد و یا اینکه از طریق برهم‌کنش‌هایش نابود می‌شد.  

تاکنون محققان دو خانواده از کوارکونیوم‌‌های تولید شده از برخوردهای باریکه‌ی یون‌های سنگین را مورد مطالعه قرار داده‌اند. این دو کوارکونیوم‌ عبارت اند از چارمونیوم (متشکل از یک کوارک charm و یک آنتی کوارک charm) و باتومینیوم (متشکل از یک کوارک bottom و یک آنتی کوارک bottom). باتومینیوم مزون‌های آپسیلون دارد. از آن جایی که کوارک charm از کوارک bottom سبک‌تر است، بدیهی است که از برخورد باریکه یون‌های سنگین بیشتر تولید شدند، به همین جهت تمرکز آزمایش‌های اولیه‌ی ابر سینکروترون پروتونی در آزمایشگاه ذرات بنیادی سِرن روی چارمونیوم‌ها و نابودی اولین حالت برانگیخته آن (که با J y^-1 نشان داده می‌شود) بود [3]. اما J y^-1 به دو دلیل برای اندازه‌گیری دمای پلاسما گلوئون-کوارک مناسب نمی‌باشد. اول اینکه زوج‌های لپتونی تولید شده در واپاشی‌های J y^-1 تکانه غیر کافی برای آشکارسازی در CMS دارند. دوم این که علاوه بر پلاسمای گلوئون-کوارک، پلاسماهای دیگری نیز می‌توانند موجب نابودی J y^-1 شوند.

در مقابل، آشکارساز CMS می‌تواند زوج‌های لپتونی تولید شده به وسیله واپاشی‌های مزون آپسیلون را با دقت و ریزبینی بیش‌تری آشکارسازی کند. تا حدی این بدین خاطر است که هر لپتون جرمی معادل نصف جرم مزون آپسیلون دارد که به آن تکانه کافی می‌دهد. اما عامل مهم دیگر در واقع تفکیک بدون ‌نقص جرم دی‌لپتون توسط آشکارساز CMS است. در گذشته تفکیک جرم‌های حالت پایه مزون آپسیلون Y(1S) و اولین دو حالت برانگیخته این مزون یعنی Y(2S) و Y(3S) توسط برخوردهای سر به سر پروتون-آنتی‌پروتون در TEVATRON   مشاهده شده بود. آزمایش CMS اولین آزمایشی است که با استفاده از به هم کوبیدن باریکه یون‌های سنگین این تفکیک جرم‌ها را به شکلی بسیار دقیق نشان می‌دهد. مشاهده این تفکیک خارق‌العاده توسط CMS باعث می‌شود فرآیند نابودی مزون آپسیلون به شکل بالنده‌تری تشریح شود و نیز چگونگی ارتباط بین نابودی مزون آپسیلون و تعیین دمای پلاسمای گلوئون-کوارک مشخص می‌شود.

          دماسنجی با مزون‌های آپسیلون

با مقایسه نابودی حالت‌های گوناگون مزون آپسیلون می‌توان به اندازه‌گیری دمای پلاسمای گلوئون-کوارک رهنمون شد. حالت‌های مزونی برانگیخته شعاع مؤثر بزرگتری نسبت به مزون حالت پایه دارند (در نتیجه کوارک‌ها و آنتی‌کوارک‌ها تقید کمتری دارند)، و از این رو به دمای پلاسما حساس‌تر خواهند بود. برای هر حالت طول «استتار» (فاصله‌ای که ورای آن بار رنگ کوارک دیده نمی‌شود) با افزایش دما کاهش می‌یابد. این طول به وسیله کرومودینامیک کوانتومی شبکه‌ای محاسبه می‌شود [5]. اگر دما به اندازه‌ی کافی بالا باشد تا اینکه طول استتار با شعاع مؤثر حالت مزونی برابر شود، در آن صورت این حالت مزونی دیگر در محیط مقید نخواهد بود. بنابراین در ابتدا حالت‌های مزونی با شعاع مؤثر بزرگتر و انرژی بستگی کم‌تر تجزیه می‌شوند. این در حالی است که حالت‌های با شعاع مؤثر کوچکتر و انرژی بستگی بیش‌تر به دمای بالاتری برای نابودی نیاز دارند (شکل ۱ را ببینید). بنابراین می‌توانیم ترتیب نابودی حالت مزونی را به این شکل بنویسیم: ابتدا Y(3S) سپسY(2S)  و در آخر [6] Y(1S). این اولین باری است که مشاهده‌ی فرآیندهای گفته شده برای مزون باتومینیوم در برخورد دهنده بزرگ هادرونی ممکن شده است.

با مقایسه‌ی مزون‌های آپسیلون تولید شده از دو برخورد باریکه‌ی یون‌های سرب و برخورد باریکه‌های پروتونی (به کمک آشکارساز CMS) به طور جدا، نرخ نابودی مزون‌ها مشخص می‌شود. لازم به ذکر است که نرخ نابودی به مرکزیت برخوردها وابسته است. پلاسمای گلوئون-کوارکی که در اثر برخوردهای سر به سر تولید می‌شود در مقایسه با پلاسمایی که در برخوردهای غیر سر به سر (برخوردهای از کنار نه کاملاً روبرو) تولید می‌شود بسیار داغ‌تر است. برای این منظور بایستی یک فاکتور نابودی معرفی کنیم. نسبت تعداد مزون‌های آپسیلون (مثلاً یکی از سه حالت فوتونی را در نظر بگیرید) در برخورد باریکه سرب-سرب نسبت به تعداد همان نوع مزون‌ در برخورد پروتون-پروتون عامل نابودی (R_AA) نامیده می‌شود.

طبق نتایج آشکارساز  ،CMSمزون برانگیخته‌ی Y یعنی Y(3S) به طور کامل نابود می‌شود (R_AA~0). همچنین Y(2S) به مقدار زیادی نابود می‌شود. به زبان دقیق‌تر، R_AA(Y(2S)) در برخورد‌های غیر سر به سر کم‌تر از ۰.۳ است. این در حالی است که این فاکتور در برخوردهای سر به سر کم‌تر از ۰.۱ می‌باشد. نکته‌ی جالبی که می‌توان گفت این است که آشکارساز CMS همچنین نابودی Y(1S) را مشاهده می‌کند اما این نابودی به خاطر وجود پلاسمای گلوئون-کوارک نمی‌باشد، بلکه به‌دلیل مزون‌هایی است که برانگیخته شده‌اند و در اثر نابودی نمی‌توانند به حالت پایه خود بازگردند.

منبع:

Physics - New Temperature Probe for Quark-Gluon Plasma

مرجع:

1.     S. Chatrchyan et al. (CMS Collaboration), “Observation of Sequential Y Suppression in PbPb Collisions,” Phys. Rev. Lett. 109, 222301 (2012).

2.     T. Matsui and H. Satz, ”J/ψ Suppression by Quark-Gluon Plasma Formation,” Phys. Lett. B 178, 416 (1986).

3.     L. Kluberg, 20 years of J/ψ suppression at the CERN SPS, Results from Experiments NA38, NA51 and NA50,” Eur. Phys. J. C 43, 145 (2005); L. Kluberg and H. Satz, “Color Deconfinement and Charmonium Production in Nuclear Collisions,” arXiv:0901.3831 (hep-ph).

4.     A. D. Frawley, T. Ullrich, and R. Vogt, “Heavy Flavor in Heavy-Ion Collisions at RHIC and RHIC II,” Phys. Rep. 462, 125 (2008).

5.     H. Satz, “Colour Deconfinement and Quarkonium Binding ,” J. Phys. G 32, R25 (2006).

6.     S. Digal, P. Petreczky, and H. Satz, “Quarkonium Feed-Down and Sequential Suppression,” Phys. Rev. D 64, 094015 (2001).