การชนออกซิเจน–นีออนที่ CERN เผยทั้งสสารยุคเอกภพแรกเริ่มและรูปร่างนิวเคลียส

ผลสำคัญจาก ALICE คือการพบการไหลแบบไม่สมมาตรซึ่งขับเคลื่อนด้วยเรขาคณิตของการชนในระบบออกซิเจน–ออกซิเจนและนีออน–นีออน อนุภาคที่ปล่อยออกมาไม่ได้กระจายตัวแบบสุ่ม แต่รูปแบบโมเมนตัมมีองค์ประกอบการไหลทั้งแบบวงรีและแบบสามเหลี่ยม ซึ่งเรียกว่า (v_2) และ (v_3)

เมื่อพิจารณาการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณเหล่านี้ตาม “ความเป็นศูนย์กลาง” ของการชน หรือระดับการชนตรงกลางมากน้อยเพียงใด ผลที่วัดได้สอดคล้องกับการคำนวณแบบไฮโดรไดนามิกส์ การคำนวณดังกล่าวจำลองว่า รูปร่างของบริเวณที่นิวเคลียสซ้อนทับกันในตอนแรกเปลี่ยนเป็นการไหลของสสารที่ขยายตัวออกในทิศทางต่าง ๆ ได้อย่างไร

ความสอดคล้องนี้มีความหมายสำคัญ เพราะสสารที่มีปฏิสัมพันธ์กันอย่างรุนแรงและขยายตัวอย่างรวดเร็วสามารถเก็บ “ความทรงจำ” เกี่ยวกับรูปร่างของบริเวณชนไว้ได้ ในภาพรวมนี้ เรขาคณิตเริ่มต้นจะถูกเข้ารหัสอยู่ใน collective flow หรือการเคลื่อนที่ร่วมกันของอนุภาคสุดท้าย จึงเป็นหลักฐานว่าพฤติกรรมแบบรวมหมู่อาจเกิดขึ้นได้ในระบบที่เล็กกว่าการชนตะกั่ว–ตะกั่ว ซึ่งเป็นระบบหลักของการศึกษาพลาสมาชนิดนี้มาโดยตลอด

หลักฐานจากการทดลองทั้ง 4 แห่งของ LHC

ข้อบ่งชี้ไม่ได้มาจากการวัดการไหลเพียงอย่างเดียว ผลจากการทดลองหลักทั้ง 4 แห่งของ LHC ช่วยเสริมกันในหลายด้าน

• ALICE พบหลักฐานการสูญเสียพลังงานของพาร์ตอนในระบบออกซิเจน–ออกซิเจนจากการศึกษาการลดลงของอนุภาคพลังงานสูง เมื่อควาร์กและกลูออนพลังงานสูงเดินทางผ่านสสารที่ร้อนและหนาแน่น พวกมันอาจสูญเสียพลังงานก่อนแตกตัวเป็นอนุภาคที่เครื่องตรวจจับวัดได้
• ATLAS วัดความไม่สมดุลของพลังงานระหว่างเจ็ตที่พุ่งสวนทางกันในเหตุการณ์ออกซิเจน–ออกซิเจนและนีออน–นีออน โดยผลดังกล่าวชัดเจนขึ้นในการชนที่มีความเป็นศูนย์กลางสูง ซึ่งอนุภาคต้องเดินทางผ่านบริเวณสสารร้อนที่มีขนาดใหญ่กว่า
• CMS รายงานการเกิดอนุภาคมีประจุพลังงานโมเมนตัมสูงที่ลดลงในระบบออกซิเจน–ออกซิเจนและนีออน–นีออน เมื่อเทียบกับข้อมูลอ้างอิงจากการชนโปรตอน–โปรตอน รวมถึงหลักฐานที่เกี่ยวข้องกับการกดทับแบบลำดับขั้นของสถานะบอตโตโมเนียมที่ยึดเหนี่ยวกันแน่นต่างระดับ
• LHCb พบว่าเมซอนที่ประกอบด้วยควาร์กเสน่ห์กับควาร์กเบาถูกกดทับในระบบนีออนที่มีขนาดใหญ่กว่าออกซิเจน และรายงานหลักฐานเบื้องต้นเกี่ยวกับการกดทับของบอตโตโมเนียมในการชนโปรตอน–ออกซิเจนและออกซิเจน–ออกซิเจน

เมื่อนำหลักฐานการไหลแบบรวมหมู่ การสูญเสียพลังงานของพาร์ตอนหรือเจ็ต การลดลงของอนุภาคพลังงานสูง และการกดทับของฮาดรอนที่มีควาร์กหนักมาพิจารณาร่วมกัน ภาพรวมจึงสนับสนุนพฤติกรรมที่สอดคล้องกับพลาสมาควาร์ก–กลูออนในระบบไอออนเบา อย่างไรก็ดี การวัดแต่ละแบบยังมีปรากฏการณ์ทางเลือกที่ต้องจำลองและตรวจสอบ ดังนั้นข้อสรุปที่เหมาะสมคือ “มีหลักฐานหลายด้านที่บรรจบกัน” ไม่ใช่การถ่ายภาพหยดพลาสมาโดยตรง

ซากจากการชนเผยรูปร่างของออกซิเจนและนีออนอย่างไร

การเปรียบเทียบไอออนเบายังเปลี่ยน LHC ให้กลายเป็นห้องทดลองศึกษาโครงสร้างนิวเคลียสทางอ้อม ออกซิเจน-16 มีรูปร่างใกล้เคียงทรงกลม ขณะที่นีออน-20 มีรูปร่างเสียรูปโดยกำเนิด มักอธิบายว่าเป็นทรงยืดคล้าย “โบว์ลิงพิน” หรือพินโบว์ลิง การหันตัวของนิวเคลียสนีออนก่อนชนจึงทำให้รูปร่างของบริเวณที่เกิดจากการชนเปลี่ยนไปได้

ALICE เปรียบเทียบรูปแบบการไหลจากการชนนีออน–นีออนกับออกซิเจน–ออกซิเจน การใช้สัดส่วนระหว่างสองระบบช่วยลดอิทธิพลของผลกระทบที่ทั้งคู่มีร่วมกัน ทำให้การวิเคราะห์ไวต่อความแตกต่างของเรขาคณิตเริ่มต้นและความผันผวนในสเกลเล็กมากขึ้น

ค่าการไหลที่วัดได้ รวมถึงการเปลี่ยนแปลงตามความเป็นศูนย์กลางของการชน สอดคล้องกับแบบจำลองไฮโดรไดนามิกส์ที่ใส่รูปร่างจริงของออกซิเจนและนีออนเข้าไป

กล่าวอีกอย่างหนึ่งคือ ซากอนุภาคจากการชนทำหน้าที่เสมือนภาพทางอ้อมของนิวเคลียสก่อนกระทบกัน นิวเคลียสออกซิเจนที่เกือบเป็นทรงกลมและนิวเคลียสนีออนที่ยืดออกทิ้ง “ลายนิ้วมือ” ทางเรขาคณิตไว้แตกต่างกันในรูปแบบการขยายตัวร่วมกัน แม้ตัวนิวเคลียสจะเล็กเกินกว่าจะถ่ายภาพโดยตรง

วิธีใหม่ที่ช่วยเสริมการศึกษาโครงสร้างนิวเคลียส

โดยทั่วไป นักวิจัยศึกษาการเสียรูปของนิวเคลียสด้วยการทดลองพลังงานต่ำ ผ่านข้อมูลอย่างแถบพลังงานการหมุน การกระตุ้นแบบสั่น และการเปลี่ยนผ่านทางแม่เหล็กไฟฟ้า การทดลองไอออนเบาที่ LHC เพิ่มวิธีศึกษาอีกแบบที่ใช้พลังงานสูงมาก นั่นคือเร่งนิวเคลียสให้เกือบเท่าความเร็วแสง ชนกัน ปล่อยให้สสารที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างรุนแรงขยายตัว แล้วใช้รูปแบบการไหลของอนุภาคสุดท้ายเพื่ออนุมานรูปร่างตั้งต้น

วิธีนี้ไม่ได้เข้ามาแทนที่สเปกโทรสโกปีพลังงานต่ำ แต่เป็นแนวทางเสริมที่ช่วยตรวจสอบว่า รูปร่างโดยรวมของนิวเคลียส รวมถึงความผันผวนในระยะทางที่สั้นลง ส่งผลต่อพลวัตของระบบที่ร้อนจัดและขยายตัวอย่างรวดเร็วเพียงใด นอกจากนี้ยังเป็นสภาพแวดล้อมที่ควบคุมได้สำหรับทดสอบแบบจำลองไฮโดรไดนามิกส์ในระบบขนาดเล็ก ซึ่งไวต่อรายละเอียดของแบบจำลองมากกว่าระบบขนาดใหญ่

ผลลัพธ์นี้จึงเชื่อมโยงสองสาขาที่มักศึกษาแยกจากกัน ได้แก่ โครงสร้างของนิวเคลียสอะตอม และคุณสมบัติของสสารที่เคยเติมเต็มเอกภพในช่วงเวลาสั้น ๆ หลังบิกแบง

ฮีเลียม-4 อาจช่วยหาขอบเขตล่างได้หรือไม่

ขั้นต่อไปอาจเป็นการทดลองกับนิวเคลียสที่เบากว่านี้ เช่น ฮีเลียม-4 การเปรียบเทียบกับออกซิเจนและนีออนอาจช่วยให้นักวิจัยค้นหาจุดที่สัญญาณการไหลแบบรวมหมู่และการสูญเสียพลังงานเริ่มอ่อนลงหรือหายไป เมื่อขนาด อายุการดำรงอยู่ และความหนาแน่นพลังงานของระบบลดลง

ข้อมูลดังกล่าวอาจช่วยจำกัดเงื่อนไขขั้นต่ำที่จำเป็นต่อการเกิดพฤติกรรมคล้ายพลาสมาควาร์ก–กลูออน และเพิ่มรูปแบบเรขาคณิตของนิวเคลียสสำหรับทดสอบแบบจำลองโครงสร้างนิวเคลียสกับสสารที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างรุนแรง

แต่แหล่งข้อมูลที่มีอยู่ยังไม่ได้ยืนยันว่ามีการทดลองฮีเลียม-4 แล้ว ไม่ได้ระบุกำหนดการ หรือความไวที่คาดการณ์ไว้ ดังนั้นบทบาทของฮีเลียม-4 ควรถูกมองว่าเป็นแนวทางที่อาจเกิดขึ้นในอนาคต ไม่ใช่ผลการทดลองที่ประกาศแล้ว