[زولديك]

بسم الله الرحمن الرحيم

الجمعية الكونية السورية_موسى ديب الخوري

ا لانفجار الكبير قيد الاختبار



بعد بضعة أجزاء قليلة من الثانية الأولى بعد الانفجار الكبير، كانت درجة حرارة الكون تصل إلى عدة آلاف المليارات من الدرجات، وكانت اللبنات الأولية للمادة لا تزال غير متصلة. هذا أقله ما كان يعتقده الفيزيائيون منذ نحو ثلاثين سنة. لكن النتائج الأولية التي تم الحصول عليها مع مسرع الجسيمات RHIC، في بروكهافن قرب نيويورك، تثبت العكس. فاللبنات الأولية كانت قد بدأت التفاعلات، مع أن الكون البدئي كان لا يزال شبيهاً بسائل لا يبدي أية لزوجة أو حالات تفاعل تقريباً.

كان الفيزيائيون يحلمون بمثل هذه التجربة منذ ثلاثين سنة. وبفضل المسرعات العملاقة للجسيمات استطاعوا أخيراً رصد المادة كما كانت تبدو بعد بضع لحظات من الانفجار الكوني الكبير. إنه نجاح يقلب الكثير من التصورات حول بدايات الكون!

ماذا كان يشبه الكون بعد بضعة أجزاء من المليون من الانفجار الكبير؟ لقد أدى الانفجار الأصلي إلى توسع الكون، وهذا هو السبب الذي يعطي لعلماء الكونيات الرجوع بالزمن ورؤية هذه التخوم السحيقة. لكن ليس ثمة مرصد يمكن أن يرينا مثل هذه الأبعاد السحيقة، ليجيب على تساؤلاتنا. والحل الوحيد كما يقدر الفيزيائيون هو أن يعيدوا على الأرض خلق الظروف التي كانت سائدة في الكون منذ نحو 14 مليار سنة. ويقدر فريق من العلماء الدوليين يعمل حول مسرع الجسيمات RHIC في بروكهافن، قرب نيويورك، أنه توصل إلى خلق هذه الظروف متوجاً عملاً مكثفاً من الأبحاث كان قد بدأ منذ نحو ثلاثين سنة. والنتيجة التي يخلص إليها هؤلاء هي أن الفيزيائيين الذين كانوا يعتقدون حتى الآن إن الكون كان في بداياته غازياً مخطئون! فهذا الكون البدئي كان يشبه بالأحرى سائلاً ذا خواص مميزة، طالما أن لزوجته كانت شبه معدومة.

منذ بداية القرن العشرين، كان من المعروف أن الذرة تتألف من إلكترونات ومن نواة، وأن النواة تتألف من نيوكليونات هي البروتونات والنوترونات. وفي عام 1963 افترض الفيزيائي الأمريكي جيل ـ مان Murray Gell-Mann وجود الكواركات، اللبنات الأساسية للنيوكليونات. وتترابط الكواركات بواسطة القوة الشديدة، وهي إحدى أربع قوى أساسية تحكم الكون. وتحمل هذه القوة الشديدة جسيمات أولية أخرى تسمى الغليونات. وهي تستحق فعلاً تسميتها بالقوية طالما أن الكواركات أو الغليونات لا توجد في حالة حرة: فهذه القوة من الشدة بحيث تظل هذه الجسيمات مجتمعة مثنى أو ثلاث في جسيمات أو كينونات مركبة.



"حساء" من المادة

غير أن للتفاعل الشديد أيضاً ميزة منافية للحدس والتوقع بالنسبة للفيزيائيين: فعلى عكس القوى الأخرى، مثل التفاعل الكهرطيسي على سبيل المثال، فإنها تضعف مع تناقص المسافة بين الجسيمات. وقد أثبتت هذه الخاصية في بداية السبعينات، ونال مكتشفوها في عام 2004 جائزة نوبل (الأمريكيون غروس وويلزك وبوليتزرDavid Gross, Frank Wilczek, David Politzer). ويمكن الاستنتاج من هذه الخاصية أنه إذا كانت المسافة بين الكواركات والغليونات قصيرة جداً فإن هذه الأخيرة تكون حرة تماماً. وتبين الحسابات أن الشروط الضرورية لذلك هي درجة حرارة تصل إلى آلاف مليارات الدرجات وكثافة طاقة تكون أعلى بعشر مرات من كثافة طاقة المادة العادية. وهذا يوافق تماماً الشروط التي كانت سائدة في الكون بعد بضعة أجزاء من مليون من الثانية بعد الانفجار الكبير! والنتيجة أن الكواركات في تلك اللحظة كانت حرة، وكانت تشكل حساء من المادة يسمى أيضاً "بلازما الكواركات والغليونات". وبعد توسع وابتراد كافيين للكون إنما تجمعت الكواركات لتشكل الجسيمات التي نعرفها اليوم.

بعد فترة طويلة من نشر العلماء الثلاثة غروس وويلزك وبوليتزر نتائج أعمالهم، استطاع العالمان الإيطالي جيان كارلو ويك Gian Carlo Wick والصيني تسونغ داو لي Tsung-Dao Lee الوسيلة لإنتاج هذه الظروف الجهنمية للكون البدئي: وهي ترتكز على تصادم إيونات مؤلفة من عدة مئات من النكليونات، مثل الذهب أو الرصاص، بسرعات قريبة من سرعة الضوء. إن الانفجار الذي سينتج عن ذلك سوف يحرر طاقة هائلة إلى حد أن النكليونات ستنصهر تاركة للكواركات والغليونات إمكانية الحركة الحرة.

إن مدة حياة هذه البلازما قصيرة جداً: جزء من مليون من مليار من مليار من الثانية على أبعد تقدير. وهذا يعني أن هذه البلازما لا تكون مستقرة لفترة طويلة كافية لكي تدرس بشكل مباشر. ومع ابتراد البلازما فإن تولد جسيمات مع ذلك وفق قانون أينشتين الشهير الذي يضع التكافؤ بين الطاقة والكتلة. إن مواصفات وسمات هذه الجسيمات هي التي يجب دراستها لأنها تحفظ في ذاكرتها "آثار" تشكل البلازما.



السرعة والانطلاق

في بداية التسعينات أطلقت المنظمة الأوروبية للبحث النووي، CERN، قرب جنيف، برنامجاً واسعاً من أجل رصد أو رؤية بلازما الكواركات والغليونات. وسمحت سبع تجارب بجمع معلومات مصدرها الـ SPS، وهو مسرع على امتداد عدة كيلومترات يحرر طاقة مقدارها 17 جيغا إلكرتونفولط في الموضع الذي تتصادم فيه نوى الرصاص. إن كلا من هاتين التجربتين، النوعيتين إن على المستوى الأداتي والبنائي أو على المستوى الفيزيائي الذي تسمح بدراسته، كان متوقعاً لها أن تكشف عن سبعة آثار لتشكل البلازما من الكواركات والغليونات التي تنبأ بها النظريون.

في 10 شباط من عام 2000 نشر لوشيانو مياني Luciano Maiani، وكان في حينه مديراً لمركز البحث النووي الأوروبي CERN، مقالاً يعلن فيه أنه تم تخليق بلازما الكواركات والغليونات، وأن البراهين على وجودها أصبحت حاسمة. وبينت هذه البراهين أن الكواركات كانت بدلاً من أن تكون منطوية في جسيمات أكثر تعقيداً متحررة وتنتقل بحرية وفقاً لتنبؤات النظريين. كانت القياسات تشير بوضوح إلى وجود حالة من المادة غير معتادة أو مألوفة، واتفق مجتمع الفيزيائيين على هذه النقطة. لكن الفيزيائيين انقسموا حول ما إذا كان قد تم فعلاً تخليق بلازما مؤلفة كما يفترض فقط من الكواركات والغليونات. بالمقابل، فإنه لم يكن من المستبعد أن تكون الظاهرات الملاحظة في الـ CERN عبارة عن "فجوات" في القياس، والتي يمكن أن تُفسّر بواسطة نماذج لا تتطلب تشكل بلازما من الكواركات والغليونات. وبعبارة أخرى، فإن البراهين الحاسمة التي أطلقها الـ CERN لم تكن حاسمة تماماً. وقد رأى بعضهم في هذا التسرع من إدارة الـ CERN رغبتهم بربط اكتشاف البلازما بمختبرهم، لأن هذا المختبر كان قد خصص وأنفق مبالغ طائلة على هذه الغاية، بل وأيضاً وبشكل خاص لأن المسرع RHIC كان لا بد أن يدخل في العمل بعد بضعة أشهر فقط، في ربيع عام 2000.

ولما كانت المستويات التقنية رفيعة جداً في المسرع المصادم الأمريكي ويعد بالتالي بنتائج جيدة، فقد كان الفيزيائيون الذين يحضرون التجارب فيه مقتنعين حتى قبل وضعه في الخدمة أنهم على موعد مع رؤية البلازم فيه. ويتألف هذا المسرع المصادم RHIC من حلقتين محيط كل واحدة منهما 3.8 كلم حيث تمر فيه حزمتان (نوى الذهب أو بروتونات). وتتلاقى هذه الأخيرة في أربعة مواضع. وفي كل من هذه النقاط أقيم كاشف قادر على تحديد هوية نحو 10000 جسيم من طبيعة مختلفة يتولدون إثر التصادم. ويقوم كل من الكواشف الأربعة بالقياسات نفسها مما يسمح بالتأكد من قابليتها للنسخ. غير أن الميزة الرئيسية للـ RHIC بالنسبة لتجربة الـ CERN هي قدرته. فهو يستطيع الوصول إلى طاقة 200 جيغا إلكترونفولط، وهي أعلى بكثير من التي يقدر النظريون أنها ضرورية لتحرير الجسيمات الأولية.



دفق من الجسيمات

لم تتأخر أولى النتائج في الظهور. لكن كان لا بد من انتظار خمس سنوات مع ذلك لكي يعلن مسؤولو الـ RHIC أهم النتائج التي حصلوا عليها. وكانت هذه النتائج مفاجئة بحيث أمضى الفيزيائيون هذه الفترة الزمنية وهم يتحققون منها.

هل تمت مشاهدة بلازما الكواركات والغليونات؟ نعم، يجيب الفيزيائيون! باستثناء أن هذه البلازما لم تكن كما كانوا يتخيلونها تماماً. فقد اكتشفوا أن الأيونات بعد التصادم تتراكب بشكل تام تقريباً، مشكلة منطقة تغطية أشبه باللوزة. فالجسيمات تفلت من مناطق الضغط الأكثر ارتفاعاً وتتبع بعد ذلك معاً مسارات خاصة جداً. تسمى هذه الظاهرة الجماعية بـ "دفق الجسيمات"، بما أنها تشبه حركة سائل ما.

لكن التشابه يتوقف هنا. لأنه على عكس السوائل العادية التي تخفي فيها الحركة الجماعية حركات عشوائية لكل جزيئ، فإن الجسيمات المتشكلة عند التصاد تتبع في مجموعات حركات مرتبة ومنظمة. ويذكر هذا السلوك قليلاً بحركة أرتال أو صفوف الأسماك التي تستجيب أو تتحرك كأنها بنية أو سمكة واحدة عندما يطرأ تغير ما في محيط حركتها. وهنا أيضاً يتوقف تشبيهنا عند هذه النقطة. ذلك أنه في حالة بلازما الكواركات والغليونات تكون الجسيمات مختلفة عن بعضها بعضاً. فهي يمكن أن تكون مؤلفة من الكواركات أو من كافئاتها من المادة المضادة، وأن تكون كتلها مختلفة وأن تكون مؤلفة من كواركات مختلفة بطبيعتها.



سائل شبه كامل

لكي نفهم أصل هذه الظاهرة، فكر الفيزيائيون بتقسيم معدل دفق الجسيمات على عدد الكواركات التي تشكل كلاً من هذه الجسيمات: وكان المعدل دائماً هو نفسه مهما كان الجسيم المعتبر. واستنتج العلماء من ذلك أن التفاعلات بين الكواركات هي التي تنتج الدفقات بشكل رئيسي. وتقلب هذه النتيجة توقعات النظريين طالما أنه، وفقاً للتعريف الذي أسس عليه البحث عن البلازما، كانت الكواركات والغليونات حرة من أي تفاعل. ففي الحالة التي يفترض أن تكون هذه الكواركات حرة فيها لا نجدها حرة تماماً، ولهذا فإن الفيزيائيين يحفظون اليوم تسمية بلازما الكواركات والغليونات تجاوزاً وبسبب العادة. وثمة اكتشاف مهم ثان هو أن البلازما عبارة عن سائل شبه كامل. ويمكن وصف سلوكه فعلياً بالمعادلات التي تصف الغازات والسوائل ذات اللزوجة الضعيفة جداً وذات القدرة على الوصول بشكل سريع جداً إلى توازن حراري. وقد أعلن سام أرونسون Sam Aronson نائب مدير مختبر بروكهافن في تصريح لإعلان مجمل هذه النتائج: "إن اللزوجة الفائقة الضعف لهذا السائل تجعل منه السائل الأكثر كمالاً الذي أمكن ملاحظته يوماً."

وبفضل التقنيات التي تم تطبيقها في RHIC لتحديد دفق المادة، فقد أمكن التحقق من القياسات التي أنجزت في مركز البحوث النووية الأوروبي CERN في التسعينات من القرن الماضي وفق معايير جديدة. وهي تبين أن الجسيمات تتبع أيضاً مسارات منظمة مع وجود سرعات أقل من تلك التي في RHIC. لكن الاختلاف الأساسي هو أن مفهوم السائل أوالتوازن الحراري لا يمكن ربطهما بمادة الـ CERN. وفي الحقيقة، فإن النماذج التي تصف ديناميكية السوائل غير قادرة على على أخذ هذه القياسات بعين الاعتبار إلا إذا وضعت قيم لها ليس لها أي معنى فيزيائي. وهكذا فإن الـ RHIC وحده يقدم طاقة كافية لتشكل هذا السائل شبه الكامل.

وحتى بالنسبة لفيزيائي، فإنه من الصعب تصور ضخامة الكثافة التي يمكن الوصول إليها عند تصادم الإيونات الثقيلة. وقد لوحظت إحدى هذه النتائج في الـ RHIC: وهي تتمثل بنتاج متراجع جداً من مقذوفات الجسيمات ذات الطاقة العالية جداً المشكلة لحظة أكثر التصادمات عنفاً. وقد رأينا أن الكواركات تتفاعل عند تصادم الأيونات الثقيلة، وخاصة الكواركات العالية الطاقة. وتفلت هذه الكواركات من البلازما، لكنها تترافق بسيل من الجسيمات تكون هي أيضاً عالية الطاقة. ولهذا يجب أن تحصل إنتاجات كبيرة من مقذوفات الجسيمات العالية الطاقة في التصادمات العنيفة جداً. لكن ما تم رصده هو على العكس نقص في عدد هذه الانقذافات .

منذ اكتشاف ظاهرة نقص الانقذافات والجدل دائر حول تفسيرها، ولا يزال العلماء في بدايات فهمها. وكان ثمة تفسير قد طرح منذ عام 1982 على يد الفيزيائي النظري الأمريكي جيمس بيوركن James Bjorken. فللإفلات من الطوق النووي الهائل كما يرى هذا العالم تجتاز انقذافات الجسيمات المتولدة عن تصادم الإيونات الثقيلة "البلازما"، وبما أن هذه الأخيرة تكون كثيفة جداً فإن هذه الانقذافات تترك جزءاً من طاقتها فيها. وتكون نتيجة هذه الخسارة بالطاقة نقصاً في إنتاج هذه الانقذافات في الطاقات العالية جداً، والتي تكون أكبر كلما كانت كثافة الوسط أكبر. وعندما تكون الكثافة منخفضة بدرجة كافية بحيث لا تخلخل إصدار الجسيمات، فإن إنتاج الجسيمات العالية الطاقة لا يكبح، وهو الأمر الذي تمت ملاحظته في الـ RHIC عند تصادم نوى الذهب والنوى الأخف والأقل طاقة.

وثمة تفسير متمم هو تفسير الفيزياء المسماة فيزياء الإشباع. وكان قد طور هذه الفيزياء كل من لاري مكلاران Larry McLerran وديمتري خرزيف Dimitri Kharzeev، وهما فيزيائيان نظريان من مختبر بروكهافن، وتعود نظريتهما إلى أقل من عشر سنوات، وتقول بوجود حالة خاصة من المادة تسمى "تكاثف الزجاج الملون". ويمكن لأي جسيم أن يؤدي إلى تشكل مثل هذه المادة، شرط أن تخضع لطاقات حدية فائقة. ويتعلق الأمر بـ "كثافة" لأن هذا الوضع سيكون عبارة عن توضع متراكم كثيف جداً للغليونات. وهي "ملونة" نسبة إلى خاصية كوانتية للغليونات تسمى "الشحنة اللونية". وأخيراً فإن المادة زجاجية لأن خصائصها تذكر بخصائص هذه المادة التي يمكن القول عنها بطريقة من الطرق إنها "صلبة" أو "متخثرة". وفي الواقع فإن حركة الغليونات في عملية التكاثف تكون كما لو أنها "مجمدة" بسبب تمدد الزمن المستند للسرعة العالية جداً للتصادمات.



طاقة الغليونات

يقدر كل من خرزيف ومكلران أنه تم في الـ RHIC، مباشرة بعد تصادم الإيونات، خلق تكاثف الزجاج الملون: وهو يتألف من عدد كبير من الغليونات، وتبلغ كثافة طاقته مقداراً هائلاً. ولا تظهر أولى الكواركات إلا في مرحلة ثانية، وذلك بفضل صيرورات تحول طاقة الغليونات إلى كواركات. وفي هذه اللحظة إنما تتخذ البلازما شكلها. فتكاثف الزجاج الملون يبني مرحلة سابقة للبلازما، موفراً بذلك الشروط الضرورية لتشكلها: عدد هائل من الغليونات وكثافة مناسبة من الطاقة. ووفق النظريين فإن هذه الشروط ضرورية لكنها غير كافية مع ذلك: فالتكاثف لا يولِّد بلازما إذا لم تكن الكثافة كبيرة جداً بمقدار كاف .

إن علاقة ذلك مع منع الانقذافات تكمن في ظاهرة الإشباع الذي هو أصيل في طبيعة التكاثف الفيزيائية. إن الغليونات التي تكون في البداية كثيرة جداً تتفاعل فيما بينها، لكنها تصبح كثيرة إلى حد أن عددها لا يتزايد بعد مضي فترة معينة. غير أنه من المفترض أن تتحول الغليونات إلى كواركات، وعلى هذه الأخيرة لكي تتحرر من البلازما أن تتحول إلى انقذافات من الجسيمات. بالنتيجة، إذا وصل إنتاج الغليونات إلى حد الإشباع، فإن الكواركات تتشكل في كميات أقل، وبالتالي يتراجع عدد الانقذافات أيضاً. ذلكم هو في إطار فيزياء الإشباع أصل منع أو تناقص الانقذافات، الذي يحصل في آن واحد في تكاثف الزجاج الملون وفي بلازما الكواركات والغليونات.



فيزياء الإشباع

لقد نصح النظريون العلماء التطبيقيين والتجريبيين في الـ RHIC لكي يقوموا بتحديد براهين على وجود التكاثف. وهم يفسرون ذلك بأنه لا بد من مراقبة إنتاج انقذافات الطاقات العالية، إنما ليس في التصادمات الأكثر عنفاً، لأن كثافة البلازما تكون من الكبر بحيث تسود على أية صيرورة أخرى وخاصة ظهور التكاثف. بالمقابل، في تصادمات أقل عنفاً تكون ظاهرة البلازما مقلصة بل وحتى غير موجودة، ويمكن بالتالي عندها رصد ورؤية ظاهرة منع أو فقدان الانقذافات. وهكذا فقد ركز التجريبيون أعمالهم على تصادمات ذات شدة معتدلة. وقد رأوا فعلاً ظاهرة الفقدان بشكل متوافق مع تنبؤات فيزياء الإشباع: وهي ظاهرة لها حظوظ كبيرة بأن تكون نتيجة لوجود التكاثف، طالما أن الظروف لم تكن مجتمعة لتخليق البلازما.

إن فيزياء الإشباع لا تزال في بداياتها، لكن العلماء يطبقون منذ الآن مفهوم التكاثف على فيزياء الكون البدئي الذي بدأنا لتونا نعتاد على أنه كان كوناً سائلاً. وفي الواقع، فقد تنبأت فيزياء الإشباع هذه بشكل صحيح بفقدان أو منع الانقذافات، كما وبظاهرات أخرى مثل عدد الجسيمات الناجم عن التصادم. مع ذلك، لا يزال من الصعب على المستوى الكوزمولوجي تحديد وفهم تضمينات تجارب تصادم الإيونات الثقيلة، لأن النماذج المتعلقة بتشكل الكون والبلازما والتكاثف لا تصف ولا تتنبأ تماماً بالأمور نفسها. ويقع على كاهل النظريين اليوم قبول هذا التحدي الجديد محاولين وضع نموذج أشمل للكون البدئي.

إن ما يمكن أن نؤكده اليوم وفق الأبحاث والتصريحات التي يدلي بها العلماء هو أنه إن كانت التجارب المقبلة ستؤكد وجود تكاثف الزجاج الملون، فإن النتائج سوف تكون هامة جداً بالنسبة لفيزياء الجسيمات الدقيقة. ولما كان هذا التكاثف يوافق شكلاً "عالمياً أو كونياً" للمادة، بشكل مستقل عن الكينونة التي تحتويها، فإن فهمه سوف يسمح بوصف خصائص كافة الجسيمات الخاضعة لطاقات عالية، وبحل مسائل جوهرية مثل تخلق الجسيمات نفسها. بل وفهم أصل كل مادة وكل إشعاع.