فیزیکدانان در برخورد دهنده هادرونی بزرگ در سرن حدود ۱۰۰ ذره از نوع X(3872) را در پلاسمای کوارک-گلوئون کشف کردند، محیطی که امید می‌رود ساختار ناشناخته‌ی این ذرات را برملا کند.
به گزارش بیگ بنگ، دکتر ین-جی لی از دانشگاه MIT گفت: «عناصر سازندۀ ماده نوترون و پروتون هستند که هریک از آنها از سه کوارک که پیوند محکمی با هم دارند تشکیل می‌شوند. برای سال‌ها تصور می‌کردیم که به دلایلی، طبیعت تصمیم گرفته ذراتی را تولید کند که فقط از دو یا سه کوارک تشکیل شده‌اند.»
اما بتازگی در پروژه CMS دانشمندان نشانه‌هایی از تتراکوارک‌های عجیب – ذراتِ تشکیل شده از ترکیب نادری از چهار کوارک – را مشاهده کردند. گمان می‌رود X(3872) یا یک تتراکوارک فشرده است یا نوع کاملاً جدیدی از مولکول است که بجای اتم، از دو مزون که پیوند ضعیفی با هم دارند تشکیل شده است؛ مزون‌ها ذرات زیراتمی هستند که خودشان از دو کوارک تشکیل شده‌اند.
ذرات X(3872) نخستین‌بار در آزمایش Belle در سال ۲۰۰۳ کشف شدند؛ Belle یک برخورد دهنده ذره‌ای در ژاپن است که الکترون‌ها و پوزیترون‌های پرانرژی را به هم برخورد می‌دهد. هرچند در این آزمایش، ذرات نادر به حدی سریع از بین رفتند که فیزیکدانان نتوانستند ساختار آنها را با جزئیات بررسی کنند. البته این فرضیه مطرح شده که X(3872) و دیگر ذرات عجیب ممکن است در پلاسمای کوارک-گلوئون بهتر نمایان شوند.
پلاسمای کوارک-گلوئون(QGP) در ۰.۰۰۰۰۰۱ ثانیۀ اول بیگ بنگ ایجاد شد و فوراً بر اثر انبساط ناپدید شد. دانشمندان با استفاده از “برخورد دهنده هادرونی بزرگ” در سرن می‌توانند این ماده ابتدایی در تاریخ کیهان را بازسازی کنند و اتفاقی که افتاده را ردیابی نمایند.
دکتر لی گفت: «از لحاظ نظری می‌توان گفت که تعداد کوارک و گلوئون در پلاسما به قدری زیاد است که باید تولید ذرات X را بهبود بخشد. اما محققان تصور می‌کنند که جستجوی آنها بسیار دشوار است، زیرا تعداد زیادی از ذرات دیگر وجود دارد که در این سوپ کوارک تولید می‌شوند.»
در این مطالعه، دکتر لی و همکارانش به دنبال نشانه‌هایی از ذرات X درون پلاسمای کوارک-گلوئون بودند که با برخوردهای آهن سنگین در “برخورد دهنده هاردونی بزرگ” تولید شده بود. دکتر لی افزود: «این فقط شروع ماجراست. ما نشان دادیم که می‌توانیم سیگنال این ذرات را پیدا کنیم. در چند سال آینده، قصد داریم از پلاسمای کوارک-گلوئون برای بررسی ساختار داخلی ذره X استفاده کنیم. این کار می‌تواند دیدگاه ما در مورد نوع ماده‌ای که کیهان باید تولید کند، تغییر می‌دهد.»
محققان این پژوهش تحلیل خود را بر اساس مجموعه داده‌‌های ۲۰۱۸ LHC انجام دادند؛ این تحلیل شامل بیش از ۱۳ میلیارد برخورد سرب-آهن بود که هریک از آنها کوارک‌ها و گلوئون‌هایی را آزاد کرد که پخش شده و با هم ادغام شدند تا بیش از یک کوادریلیون ذره با عمر کوتاه را تشکیل دهند، سپس خنک شدند و از بین رفتند.
دکتر لی گفت: «پس از شکل‌گیری و خنک شدن پلاسمای کوارک-گلوئون، ذرات بسیار زیادی تولید می‌شود و پس‌زمینه بسیار شلوغ است. بنابراین، باید این پس‌زمینه را خلوت می‌کردیم تا در نهایت بتوانیم ذرات X را در داده‌هایمان ببینیم.»
به محض شکل‌گیری ذرات در پلاسمای کوارک-گلوئون، آنها فوراً به ذرات «دختر» تجزیه و پراکنده شدند. برای ذرات X، این الگوی تجزیه یا توزیع زاویه‌دار با تمام ذرات دیگر متمایز است. دانشمندان متغیرهای کلیدی را پیدا کردند که شکل الگوی تجزیه‌ی ذره X را توصیف می‌کنند.
محققان از یک الگوریتم یادگیری ماشینی استفاده کردند که آموزش دیده بود تا الگوهای فروپاشی مشخصه ذرات X را جدا کند. این الگوریتم قادر بود مجموعه دادۀ بسیار متراکم و شلوغ را غربال کند تا متغیرهای کلیدی که احتمالاً نتیجۀ تجزیه‌ی ذرات X بودند را انتخاب کند.
دکتر “جینگ وانگ” محقق فوق دکتری در MIT، گفت: «ما موفق شدیم پس‌زمینه را با دستورات بزرگی پایین بیاوریم تا سیگنال ذرات را ببینیم.» دانشمندان روی سیگنال‌ها زوم کردند و یک پیک (اوج) را در یک جرم خاص مشاهده کردند، این امر نشان‌دهندۀ وجود ۱۰۰ ذره عجیب X(3872) بود.
دکتر لی گفت: «تقریبا غیرقابل تصور است که بتوانیم این ۱۰۰ ذره را از این مجموعه دادۀ عظیم حذف کنیم. هر شب از خودم می‌پرسیدم: آیا این واقعاً یک سیگنال واقعی است یا خیر؟ و در پایان، داده‌ها جواب دادند: بله». جزئیات بیشتر این پژوهش در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.
منبع: سایت علمی بیگ بنگ