התנגשות החמצן שחשפה פלזמת קווארקים וגלואונים — וגם את צורת גרעין הניאון

התנגשות קטנה, תגלית גדולה

שיתוף הפעולה ALICE ב־CERN הרחיב את החיפוש אחר פלזמת קווארקים וגלואונים — מצב קיצוני של חומר שבו קווארקים וגלואונים אינם כלואים עוד בתוך פרוטונים, נויטרונים והדרונים אחרים — למערכת קטנה בהרבה מההתנגשויות המקובלות של גרעיני עופרת.

בהתנגשויות חמצן־חמצן זיהו החוקרים דיכוי של פיונים בעלי אנרגיה גבוהה, תופעה המעידה על כך שחלקיקים יסודיים המכונים פרטונים מאבדים אנרגיה כשהם עוברים דרך החומר החם והצפוף שנוצר בהתנגשות. לפי ALICE, מדובר בראיה ברורה לאובדן אנרגיה של פרטונים, ובסימן מובהק להיווצרות פלזמת קווארקים וגלואונים — במערכת הגרעינית הקטנה ביותר שבה נמדדה עד כה חתימה כזו. התוצאה נמדדה במרחק של 4.9 סטיות תקן מההשערה שלפיה אין אובדן אנרגיה.

מתי והיכן נערכו ההתנגשויות?

ההתנגשויות הראשונות של חמצן־חמצן ושל ניאון־ניאון נערכו בקיץ 2025 במאיץ ההדרונים הגדול (LHC) של CERN — טבעת תת־קרקעית באורך 27 קילומטרים. הנתונים מקמפיין ההתנגשויות הייעודי של היונים הקלים נאספו במשך שישה ימים בניסויי ALICE, ATLAS, CMS ו־LHCb.

הממצאים הראשונים הוצגו בכנס Initial Stages, שנערך בטאיפיי שבטאיוואן בין 7 ל־12 בספטמבר 2025. ההתנגשויות בוצעו באנרגיית מרכז־מסה של 5.36 טרה־אלקטרון־וולט לכל זוג נוקליאונים, ואפשרו לבחון התנהגות קולקטיבית במערכות קטנות בהרבה מההתנגשויות של עופרת, המזוהות בדרך כלל עם חקר הפלזמה.

איך יודעים שנוצרה פלזמה?

אחת הדרכים לחפש פלזמת קווארקים וגלואונים היא לבדוק מה קורה לפרטונים עתירי־אנרגיה כשהם עוברים דרך המדיום שנוצר בהתנגשות. הפרטונים הם אבני הבניין שמהן נוצרים בהמשך חלקיקים כמו פיונים.

ב־ALICE נמדדה ירידה במספר הפיונים עתירי־האנרגיה בהתנגשויות חמצן־חמצן. התוצאה תואמת את התחזית שלפיה הפרטונים מאבדים אנרגיה במדיום החם, ולכן מספקת את אחת החתימות המרכזיות להיווצרות הפלזמה.

החוקרים מדדו גם “זרימה” קולקטיבית לא־איזוטרופית — כלומר, נטייה של החלקיקים להיפלט בכיוונים מסוימים ולא באופן אחיד סביב ציר ההתנגשות. בין המדדים שנבדקו היו זרימה אליפטית (v₂) וזרימה משולשת (v₃), שנמדדו הן בהתנגשויות חמצן־חמצן והן בהתנגשויות ניאון־ניאון. הערכים המשמעותיים שלהם והתלות שלהם במרכזיות ההתנגשות תואמים התנהגות הידרודינמית, דמוית־נוזל, של המערכת שנוצרה.

דפוס החלקיקים חשף את צורת הגרעין

ההשוואה בין החמצן לניאון הייתה חשובה משום ששני הגרעינים אינם בעלי אותה צורה. חמצן־16 נחשב עגול יחסית, ואילו ניאון־20 צפוי להיות מוארך — צורה פרולטית שמזכירה “כדור באולינג”. הנתונים מההתנגשויות מחזקים את התיאור הזה.

כאשר שני גרעינים מתנגשים, אזור החפיפה הראשוני ביניהם אינו בהכרח מעגלי. הגאומטריה הזאת משפיעה על האופן שבו החומר החם מתפשט, וההתפשטות נרשמת בדפוס הזוויתי של החלקיקים שנפלטים.

בהתנגשויות מרכזיות של ניאון־ניאון מדדה ALICE מקדם זרימה אליפטית v₂ גדול יותר מזה שנמדד בהתנגשויות חמצן־חמצן. זהו בדיוק ההבדל הצפוי אם צורתו המוארכת של הניאון מותירה חותם אליפטי חזק יותר מצורתו העגולה יחסית של החמצן.

חישובים של מבנה גרעיני וסימולציות הידרודינמיות הצליחו לשחזר את ההבדלים שנמדדו בין שתי המערכות. ההתאמה מחזקת את הפרשנות שלפיה הזרימה נובעת מגאומטריית הגרעינים, ולא רק מתנודות אקראיות מאירוע לאירוע.

במילים אחרות, החוקרים הסיקו את צורתו של גרעין מתוך “טביעת האצבע” של החלקיקים שנוצרו לאחר ההתנגשות. אי־אפשר לצלם את ההתנגשות עצמה — היא מתרחשת בפרק זמן זעיר להפליא — אך דפוס התנועה של השברים שומר מידע על התצורה ההתחלתית.

מדוע התוצאה חשובה?

גבול חדש לחקר הפלזמה

התנגשויות עופרת יוצרות כדורי אש גדולים יותר ובעלי אורך חיים ארוך יותר, ולכן קל יחסית לזהות בהם תופעות קולקטיביות. חמצן וניאון נמצאים באזור ביניים: הם גדולים יותר מפרוטונים, אך קטנים בהרבה מגרעיני עופרת.

המערכות האלה מאפשרות לפיזיקאים “לכוון” את הגודל ואת הצפיפות של מערכת ההתנגשות ולבדוק כיצד התנהגות קולקטיבית מתפתחת ככל שהמערכת מצטמצמת. הממצאים הקיימים מצביעים על כך שגם בהתנגשויות חמצן יכולים להופיע אובדן אנרגיה של פרטונים וזרימה קולקטיבית, אף שהקשר המדויק בין הסימנים האלה לבין תכונות המדיום עדיין נחקר.

התנגשות יונים ככלי לחקר מבנה גרעיני

הניסוי מציע גם שיטה משלימה לחקר מבנה הגרעין. במקום לפגוע בגרעין נייח בקרן חלקיקים ולמדוד את הפיזור, משווים את הזרימה הקולקטיבית שנוצרת כאשר גרעינים בעלי צורות שונות מתנגשים.

הפער בין חמצן לניאון מסייע לצמצם את אי־הוודאות במודלים המתארים את התנאים ההתחלתיים של התנגשויות יונים כבדים. כך הופכת התנגשות אנרגטית לא רק למעבדה לחקר חומר קיצוני, אלא גם לכלי שמאפשר להסיק כיצד גרעין אטום “נראה” מבפנים.

חלון אל היקום הקדום

פלזמת קווארקים וגלואונים דומה למצב הקיצוני של החומר שלפי ההערכות מילא את היקום במיליוניות השנייה הראשונות לאחר המפץ הגדול, לפני שהקווארקים והגלואונים נכלאו בתוך פרוטונים, נויטרונים והדרונים.

התנגשויות של יונים קלים מאפשרות לחקור את החומר הקדום הזה במערכת קטנה וגמישה יותר, ובמקביל לבדוק היכן עובר הגבול בין התנגשות גרעינית שיוצרת מדיום דמוי־נוזל לבין מערכת שאינה מצליחה לפתח התנהגות כזאת.

מה צפוי בהמשך?

המקורות הזמינים אינם מציינים לוח זמנים מאושר או רשימה קונקרטית של גרעינים קלים יותר מחמצן לניסוי הבא. עם זאת, הם מצביעים על המשך השוואות בין מערכות של יונים קלים, כדי למפות את הגודל והצפיפות המינימליים הנדרשים להתנהגות דמוית פלזמת קווארקים וגלואונים, ולבחון גרעינים בעלי צורות מוגדרות שיסייעו לשפר את המודלים של הגאומטריה ההתחלתית.

הצורך להפריד בין השפעת צורת הגרעין, תנודות התחלתיות ואובדן אנרגיה אמיתי של פרטונים הוא חלק מרכזי מהשאלה המדעית. לעת עתה, תוצאות ALICE מציגות שני ממצאים קשורים: בהתנגשויות חמצן מופיעה חתימה חשובה של פלזמת קווארקים וגלואונים, והשוואה בין חמצן לניאון הופכת את שאריות ההתנגשות למעין סורק של מבנה הגרעין.