داده‌های LHC اعتبار مدل جدید تولید هادرون‌ها را تأیید می‌کنند — و مبانی مکانیک کوانتومی را آزمون می‌نمایند

توسط آکادمی علوم لهستان

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بازنگری توسط رابرت اگن

یک دریاچهٔ جوشان از کوارک‌ها و گلوون‌ها، از جمله کوارک‌ها و گلوون‌های مجازی — این‌گونه می‌توانیم فاز اصلی برخوردهای پرانرژی پروتون‌ها را تصور کنیم. به‌نظر می‌رسد که ذرات در این حالت فرصت‌های زیادی برای تحول دارند نسبت به زمانی که ذرات ثانویهٔ کمتر مقدار و «رفتار بهتری» دارند و از نقطهٔ برخورد پراکنده می‌شوند. اما داده‌های شتاب‌دهندهٔ LHC نشان می‌دهند که واقعیت به شکل دیگری عمل می‌کند، به‌گونه‌ای که مدل بهبود یافتهٔ برخوردهای پروتون توصیف بهتری از آن دارد.

در برخوردهای پرانرژی پروتون‑به‑پروتون اتفاقات بسیاری رخ می‌دهد. پروتون‌ها هادرون هستند، یعنی خوشه‌ای از پارتيون‌ها — کوارک‌ها و گلوون‌هایی که آن‌ها را به‌هم می‌پیوندند. وقتی پروتون‌ها با انرژی کافی به‌هم می‌خورند، کوارک‌ها و گلوون‌هایشان (از جمله گلوون‌های مجازی که در طول تعامل‌ها به‌طور مختصر ظاهر می‌شوند) وارد تعاملات پیچیده‌ای می‌شوند.

تنها پس از «سرد شدن» آنها، کوارک‌ها به‌هم می‌چسبند و هادرون‌های جدیدی را تشکیل می‌دهند که از ناحیهٔ برخورد پراکنده می‌شوند و در آشکارسازها ثبت می‌گردند. بنابراین حس می‌کنیم که آنتروپی هادرون‌های تولید شده — مقداری که تعداد حالت‌های ممکن سیستم ذرات را توصیف می‌کند — باید با آنتروپی فاز پارتيون‌ها که در آن تعداد زیادی کوارک و گلوون در تعامل هستند و این تعاملات در نگاه اول به‌نظر می‌رسد به‌طور دینامیک و هرج‌ومرجی هستند، متفاوت باشد.

پژوهش‌های اخیر و بهبودهای مدل

نتایج جدیدترین پژوهش دربارهٔ آنتروپی هادرون و پارتيون در برخوردهای پروتون در مجلهٔ Physical Review D توسط پروفسور کرژیستوف کتاک و دکتر ساندور لوکوس، دانشمندان مؤسسهٔ فیزیک هسته‌ای آکادمی علوم لهستان (IFJ PAN) در کراکو ارائه شده‌اند.

پروفسور کتاک که بیش از یک دهه به بررسی آنتروپی سیستم‌های پیچیدهٔ کوارک‑گلوون می‌پردازد، می‌گوید: «در فیزیک پرانرژی، به‌نام مدل‌های دوپول، برای مدتی است که برای توصیف تکامل سامانه‌های متراکم گلوون‌ها استفاده می‌شود. این مدل‌ها فرض می‌کنند که هر گلوون می‌تواند توسط یک جفت کوارک‑آنتی‌کوارک که یک دوپول دو رنگی تشکیل می‌دهد، نمایان شود — اینجا منظور رنگ‌های عادی نیست، بلکه بار رنگی، که خاصیتی کوانتومی گلوون‌هاست. مدل‌های دوپول که بر پایهٔ متوسط تعداد هادرون‌های تولید شده در یک برخورد ساخته می‌شوند، به ما امکان تخمین آنتروپی پارتيون‌ها را می‌دهند».

دود سال پیش، پروفسور کتاک به‌همراه دکتر پاول کاپوتا از دانشگاه استکهلم، نسخه‌ای جالب از مدل دوپول را توسعه دادند. آن‌ها یکی از مدل‌های موجود برای تکامل سامانهٔ گلوونی را به‌عنوان مدل اصلی درنظر گرفتند و با افزودن تأثیرات فرعی‌، که برای برخوردهای با انرژی پایین‌تر که تعداد هادرون‌های تولید شده کمتر است، گسترش دادند. این پیشرفت با شناسایی ارتباط بین معادلات مدل‌های دوپول کنونی و معادلات مورد استفاده در نظریهٔ پیچیدگی امکان‌پذیر شد.

برای آزمون اعتبار مدل دوپول عمومی‌سازی‌شده، دکتر لوکوس پیشنهاد کرد که از نتایج اندازه‌گیری‌های جمع‌آوری‌شده در آزمایش‌های مختلف در شتاب‌دهندهٔ LHC استفاده شود، که شامل چهار آزمایش اصلی ALICE، ATLAS، CMS و LHCb می‌شود. این داده‌ها برخوردهایی در بازهٔ نسبتاً وسیعی از انرژی، از ۰٫۲ تِراالکترون‌ولت تا ۱۳ تِراالکترون‌ولت را پوشش می‌دهند؛ انرژی‌ای که حداکثر برای شتاب دادن پروتون‌ها در LHC می‌توان دست یافت.

پروفسور کتاک تأکید می‌کند: «در مقاله‌مان نشان می‌دهیم که مدل دوپول عمومی‌سازی‌شده، داده‌های موجود را دقیق‌تر از مدل‌های دوپول پیشین توصیف می‌کند و علاوه بر آن، در بازهٔ وسیع‌تری از انرژی‌های برخورد پروتون مؤثر است».

آنتروپی، یگانگی و مکانیک کوانتومی

آیا در برخوردهای پروتون، آنتروپی در فازی که توسط تعاملات کوارک و گلوون حاکم است، با آنتروپی هادرون‌های تولیدشده که از محل برخورد فرار می‌کنند، متفاوت است؟

فرمول موجود خارژیو‑لوین برای آنتروپی این‌گونه پیش‌بینی می‌کند که تفاوتی وجود ندارد؛ این پیش‌فرض در کار پروفسور کتاک و همکارانش تأیید شده است. این فرض و نتایج به‌دست‌آمده واکنش تعجبی در چهرهٔ برخی فیزیک‌دانان و لبخندی مرموز در دیگران برمی‌انگیزد. از یک سو، این نتایج در نگاه اول غیرمنطقی به‌نظر می‌رسند، اما از سوی دیگر، در حقیقت ناشی از یکی از اساسی‌ترین ویژگی‌های مکانیک کوانتومی است: یگانگی آن.

یگانگی شاید ترسناک به‌نظر برسد، اما در واقع یک شرط نسبتاً شهودی است. نکته این است که معادلات توصیف‌کنندهٔ تکامل یک سامانهٔ کوانتومی، تغییرات ممکن آن از حالت قبلی به حالت بعدی، باید مجموع احتمالات تمام انتقال‌ها (که برابر یک است) را حفظ کنند و معکوس‌پذیر باشند. به عبارت دیگر، یگانگی به این معناست که نه احتمال و نه اطلاعات نمی‌توانند به‌صورت ناگهانی از بین بروند یا از هیچ‌جا به‌وجود آیند.

«یگانگی مکانیک کوانتومی موضوعی است که دانشجویان فیزیک دربارهٔ آن می‌آموزند. فرموله‌گی نظریهٔ کروماتین گرانشی کوانتومی (QCD)، تئوری که دنیای کوارک‌ها و گلوون‌ها را توصیف می‌کند، بر پایهٔ یگانگی بنا شده است».

پروفسور کتاک می‌گوید: «اما برخورد با نظریه‌ای که به‌طور روزانه ویژگی خاصی را در سطح کوارک‌ها و گلوون‌ها نشان می‌دهد، امری متفاوت از مشاهدهٔ آن در داده‌های واقعی هادرون‌های تولید شده است». او تأکید می‌کند که به‌دلیل یگانگی است که نتیجهٔ به‌دست آمده به ما امکان می‌دهد اطلاعاتی دربارهٔ آنتروپی پارتيون‌ها در بازهٔ وسیعی از انرژی‌ها به‌دست آوریم.

آزمایش‌های آینده

تأیید بیشتر مدل دوپول عمومی‌سازی‌شده در ابتدای دههٔ آینده، پس از تکمیل ارتقاء شتاب‌دهندهٔ LHC امکان‌پذیر خواهد شد. آشکارساز پیشرفتهٔ ALICE در آن زمان امکان انجام اندازه‌گیری‌های نواحی تعامل گلوونی متراکم‌تری را که در حال حاضر مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، فراهم خواهد کرد.

داده‌های شتاب‌دهندهٔ همپوشانی الکترون‑یون (EIC)، که هم‌اکنون در آزمایشگاه ملی بروکهین در ایالات متحده در حال ساخت است و در آن الکترون‌ها با پروتون‌ها برخورد می‌کنند، نیز ارزش ویژه‌ای خواهند داشت. از آنجا که الکترون‌ها ذرات بنیادی هستند، این ترکیب امکان مطالعهٔ سامانه‌های گلوونی متراکم در یک تک پروتون را میسر می‌سازد.

اطلاعات بیشتر: کرژیستوف کتاک و همکاران، آنتروپی و تکثیر هادرون‌ها در حد انرژی بالا در چارچوب مدل‌های فروپاشی دوپولی، Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/23wn-66np

اطلاعات مجله: Physical Review D

ارائه‌شده توسط آکادمی علوم لهستان

استناد: داده‌های LHC اعتبار مدل جدید تولید هادرون‌ها را تأیید می‌کنند — و مبانی مکانیک کوانتومی را آزمون می‌نمایند (2025، 4 دسامبر) بازیابی شده در 5 دسامبر 2025 از https://phys.org/news/2025-12-lhc-validity-hadron-production-foundations.html

این سند تحت حق‌کپی‌رایت است. به‌جز استفادهٔ منصفانه برای مطالعهٔ خصوصی یا پژوهش، هیچ بخشی از آن نمی‌تواند بدون کسب اجازهٔ کتبی بازتولید شود. محتوا صرفاً برای مقاصد اطلاع‌رسانی ارائه شده است.