latex
مُلَخَّص
نقدّم هنا نتائج القياسات العالمية لاستقطاب الدوران للهايبرونات (\(P_{\Lambda}\)) في طاقات FAIR وRHIC وLHC. يستمر \(P_{\Lambda}\) في الارتفاع عند \(\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}\) < 7.7 GeV، مما يشير إلى أن الدوّامة الهائلة سائدة حتى في نطاق الهيمنة الهادرونية. كما أن قياسات الاستقطاب المحلي (\(P_{z,2}\)) من تصادمات النظائر تتبع نفس النمط المشاهد سابقاً في RHIC وLHC. يقدّم مقياس مستوحى من تأثير هول الدوران الباريوني المتوقع، وهو الاستقطاب المحلي الصافي (\(P_{z,2}^{\mathrm{net}}\))، قيمة سالبة في تصادمات Au+Au عند \(\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}\) = 19.6 و27 GeV. أول قياس لـ\(P_{z}\) بالنسبة للتوافقي الثالث في تصادمات النظائر RHIC بطاقة 200 GeV يُظهر تعديلاً جيبياً واضحاً، مما يدلّ على بُنية دوامية معقدة في الوسط. ظهرت أيضاً أنماط غير متوقعة من محاذاة دوران البوزونات المتجهة (\(\rho_{00}\)) لعدة ميزونات مثل \(K^{*0}\) و\(K^{*\pm}\) و\(\phi\) و\(J/\psi\) في طاقات RHIC وLHC. يشكّل الانحراف الكبير في \(\rho_{00}\) لدى بعض الأنواع تحدياً للنظرية.
مُقَدِّمَة
في تصادمات الأيونات الثقيلة ذات معامل تأثير غير صفري، يتولد زخم زاوي مداري ضخم (OAM \(\sim 10^{5}-10^{7}\hbar\)) في منطقة التفاعل (Becattini وآخرون). يمكن أن ينعكس جزء من هذا الزخم على بلازما الكوارك-غلوون (QGP) مستقطباً الكواركات ومضاداتها عبر ما يُسمّى تفاعل “الدوران-المدار” (Liang et al.). بالإضافة إلى ذلك، ينعكس استقطاب الكواركات إلى الهادرونات الناتجة ذات العزم الزاوي غير الصفري على امتداد اتجاه OAM خلال عملية الهادرنة. وفي المراحل الأولية، يُتوقع أيضاً نشوء حقل مغناطيسي هائل (\(B\sim10^{18}\) Gauss) (Kharzeev et al.)، والذي قد يولّد استقطاباً دورانياً مختلفاً للكواركات ومضاداتها نتيجة اختلاف لحظاتهم المغناطيسية. بناءً عليه، تتيح قياسات الاستقطاب تتبّع التوقيعات الأولية لكلٍ من OAM والحقل المغناطيسي. تساعد هذه القياسات في استكشاف استجابة وسط QGP لهذه الظروف القاسية، وتفتح الباب لدراسة ديناميكيات الدوران في QGP.
اِسْتِقْطاب الدَوَران للهايبرونات
يمكن قياس الاستقطاب العالمي للهايبرونات (\(P_{\mathrm{H}}\)) عبر التوزيع الزاوي لباريون الابن في إطار راحة الهايبرون الأصلي، مستفيدين من التحلّل الضعيف غير المتناظر تحت التكافؤ (Schilling et al.). في عام 2007، وضعت تجربة STAR حدّاً أعلى على \(P_{\Lambda}\) (< 2%) في تصادمات Au+Au بطاقة 200 GeV (star_lambda_prc). وأحد أهمّ ما حقّقته STAR حين قدمت أول دليل على استقطاب إيجابي لكل من \(\Lambda\) و\(\bar{\Lambda}\) ضمن برنامج RHIC Beam Energy Scan (BES). تحت فرضية التوازن الحراري المحلي واعتماداً على نماذج هيدروليكية، كشفت بيانات BES المتوسطة عن دوامة بمقدار (~9 ± 1)×\(10^{21}/s\) (star_lambda_nature_bes)، مما يشير إلى أكثر سائل دوامي نشأ في المختبر. كما كان \(P_{\bar{\Lambda}}\) أعلى باستمرار من \(P_{\Lambda}\) عبر مختلف الطاقات، ما استدعى توقعات بتفرّق في الاستقطاب نتيجة الحقل المغناطيسي (\(B\))، ولكن دقّة القياسات لم تكن كافية لاستنتاج قاطع. لاحقاً، أبلغت STAR عن \(P_{\Lambda}\) غير صفري بدقة، إضافةً إلى قياسات تفاضلية كدالة المركزية والزخم العرضي والسرعة الزاوية عند أعلى طاقة RHIC (star_lambda_prc_200GeV)، حيث لوحظ ارتفاع \(P_{\Lambda}\) من التصادمات المركزية إلى الطرفية متماشياً مع توقعات الدوامة. في المقابل، أظهرت ALICE في LHC استقطاباً مطابقاً للصفر (alice_lambda_prc). مؤخّراً، وسّعت STAR وHADES القياسات إلى طاقات أقل (star_lambda_prc_3GeV وhades_lambda_prc)، حيث برز استقطاب مهم بحوالي 5%. ويتبع \(P_{\Lambda}\) اتجاهاً أحادياً تصاعدياً من 2.4 GeV حتى 5.02 TeV. وتفسّر نماذج النقل والهيدروديناميكا هذا الاتجاه المعتمد على الطاقة، إذ يُعزى الارتفاع الأحادي إلى تفاعل تدفق القص مع توقف الباريون. وقد تلعب سيناريوهات أخرى، مثل هجرة الاستقطاب نحو السرعة الزاوية الأمامية وطول عمر QGP، دوراً إضافياً. ومع ذلك، لا تزال ظاهرة بقاء دوامة هائلة في وسط هادروني عند \(\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}\)<7.7 GeV لغزاً يتطلّب مزيداً من الدراسات النظرية والتجريبية.
الاِسْتِقْطاب العالَمِي للدَوَران في تصادُمات النظائر
توفر تصادمات النظائر ذات الإحصائيات العالية في معجّل RHIC بطاقة 200 GeV (\(_{44}^{96}\mathrm{Ru}+_{44}^{96}\mathrm{Ru}\) و\(_{40}^{96}\mathrm{Zr}+_{40}^{96}\mathrm{Zr}\)) (blind_isobar) فرصاً جديدة لقياسات الاستقطاب. نظراً لعدد البروتونات الأكبر، من المتوقع أن يكون الحقل المغناطيسي الأولي في تصادمات Ru+Ru أقوى من ذلك في تصادمات Zr+Zr؛ لذا يمكن لقياس \(P_{\Lambda}\) و\(P_{\bar{\Lambda}}\) في هذه النظائر أن يستكشف تأثير الحقل الأولي (\(B\)). علاوة على ذلك، توقّعت عدة حسابات نموذجية تبعية لحجم النظام في \(P_{\Lambda}\) (\(P_{\Lambda}^{\mathrm{O+O}} > P_{\Lambda}^{\mathrm{Ru+Ru}} > P_{\Lambda}^{\mathrm{Au+Au}}\)) (system_size_pol), ما يسمح لاستخدام بيانات النظائر لاختبار هذه التبعيات. أفاد تعاون STAR بأن \(P_{\Lambda}\) و\(P_{\bar{\Lambda}}\) في تصادمات النظائر تتبعان نفس الاعتماد على المركزية كما في Au+Au (xgou), ولم يُلاحظ أي تباين بين \(\Lambda\) و\(\bar{\Lambda}\) أو بين نوعي النظام ضمن دقة القياس الحالية. ومع ذلك، يتوقع أن تتيح بيانات RHIC BES-II دقة أكبر لاستكشاف آثار الحقل المغناطيسي. كما أن مقارنة نتائج النظائر مع تصادمات Au+Au لم تكشف عن تبعية واضحة لحجم النظام في \(P_{\Lambda}\) أو \(P_{\bar{\Lambda}}\) عند نفس المركزية. وسيُقدّم تصادم نظام أصغر مثل O+O رؤى إضافية. من جهة أخرى، أبلغت STAR لأول مرة عن استقطاب غير صفري لهايبرونات \(\Xi\) و\(\Omega\) في تصادمات Au+Au بطاقة 200 GeV (xi_omg_pol), مما يؤكد الطبيعة الشاملة للاستقطاب الدوراني في هذه التصادمات. ويمكن للقياسات الأكثر دقة لاستقطاب \(\Xi\) و\(\Omega\) في جولات RHIC القادمة أن تختبر تأثير اختلافات الدوران واللحظات المغناطيسية على الاستقطاب.
الاِسْتِقْطاب المَحَلِّي للدَوَران للهايبرونات في تصادُمات النظائر
أظهرت الدراسات الأخيرة أن التدفق الجماعي المرافق للدوامة يمكن أن يولّد استقطاباً طولياً جديداً (\(P_{z}\)) على طول محور الشعاع (Becattini_pz). وقد رصدت STAR أول تعديل جيبي غير صفري لـ\(P_{z}\) للهايبرونات \(\Lambda\) و\(\bar{\Lambda}\) بالنسبة لتوافقي التدفق الثاني (\(\Psi_{2}\)) في تصادمات Au+Au عند 200 GeV (star_lambda_pz). وعلى الرغم من نجاح عدة نماذج هيدروديناميكية ونقل في وصف الاعتماد على طاقة الشعاع للاستقطاب العالمي، فإنها لم تتمكن من تفسير نمط \(P_{z}\) بالإشارة الصحيحة، وهو ما عُرِف بـ “لغز الإشارة”. ولاحقاً، أظهرت ALICE في LHC نمطاً مشابهاً في تصادمات Pb+Pb عند 5.02 TeV (alice_lambda_pz). مؤخراً، أُحرز تقدم نظري كبير نحو حل هذا اللغز، حيث وُجد أن إضافة “مصطلح القص” إلى المعادلات تتيح تفسير الإشارة الصحيحة لـ\(P_{z}\) (shear_pz_sign).
أبلغت STAR عن القياسات المحلية للاستقطاب الثاني (\(P_{z,2}\)) في تصادمات النظائر (xgou). ويعرض الجزء الأيسر من الشكل [fig-3] مقارنة نتائج النظائر مع نتائج تصادمات Au+Au عند 200 GeV (star_lambda_pz) وتصادمات Pb+Pb عند 5.02 TeV (alice_lambda_pz). وتلمّح النتائج إلى تبعية طفيفة لحجم النظام، بينما لا يظهر نمط واضح لاعتماد الطاقة في \(P_{z,2}\). كما تمّ توسيع هذه القياسات لتشمل التوافقي الثالث (\(P_{z,3}\)) في تصادمات النظائر، حيث لوحظ تعديل جيبي كبير وغير صفري (xgou). ويُظهر كل من \(P_{z,2}\) و\(P_{z,3}\) اتجاهاً متشابهاً نحو الاعتماد على المركزية، إلا أن \(P_{z,3}\) يظل أصغر منهجياً من \(P_{z,2}\) في التصادمات الطرفية. وتتيح هذه القياسات المحلية فهماً أعمق للهياكل الدوامية المعقدة، فضلاً عن تقييد الشروط الأولية ومعاملات النقل في النماذج المختلفة.
حديثاً، اقترحت الدراسات أن التدرّج في الجهد الكيميائي الباريوني (\(\nabla \mu_{B}\)) قد يسبب انقساماً في استقطاب الدوران للهايبرونات \(\Lambda\) و\(\bar{\Lambda}\)، ممثلاً بالاستقطاب المحلي الصافي (\(P_{z,2}^{\mathrm{net}}\)). وبما أن هذا يناظر تأثير هول في فيزياء المادة المكثفة، يسمّى “تأثير هول الدوران الباريوني” (she_prediction). وتشير النماذج إلى أن هذا التأثير يكون أكثر وضوحاً عند طاقات شعاع منخفضة (أي جهد كيميائي باريوني أعلى)، حيث يُتوقع استقطاباً صاعدًا موجباً لـ\(P_{z,2}^{\mathrm{net}}\) مع انخفاض الطاقة. وفي المقابل، في غياب هذا التأثير قد يظهر نمط مماثل بإشارة سالبة. ويوفر الإنتاج الوفير للهايبرونات \(\Lambda\) و\(\bar{\Lambda}\) والجهد الكيميائي الباريوني الكبير في نطاق RHIC BES بيئة مثالية للتحقق من هذه التنبؤات. وأبلغت STAR عن الاستقطاب المحلي الصافي (\(P_{z,2}^{\mathrm{net}}\)) في تصادمات نصف مركزية لـAu+Au عند 19.6 و27 GeV، كما يُبيّن الجزء الأيمن من الشكل [fig-3] (huqiang). كانت الإشارة سالبة ومتوافقة مع غياب تأثير هول الدوران الباريوني. وستكون قياسات \(P_{z}\) في طاقات شعاع أقل (\(\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}<\) 19.6 GeV) ضرورية للتحقق النهائي من هذا التأثير.
مُحاذاة دَوَران البوزونات المُتَّجِهة
تُعَدّ محاذاة دوران البوزونات المتجهة مكمّلة لقياسات استقطاب الهايبرونات، إذ يُقدَّر المحاذاة العالمية من العنصر القطري \(00^\mathrm{th}\) (المسمى \(\rho_{00}\)) لمصفوفة كثافة الدوران الهيرميتية ذات الأثر الواحد. في غياب أي محاذاة، يتوقع أن تتخذ \(\rho_{00}\) القيمة \(\tfrac{1}{3}\)، وأي انحراف عنها يشير إلى وجود محاذاة صافية. في عام 2008، أظهر تعاون STAR قياسات لـ\(\rho_{00}\) لبوزونات \(K^{*0}\) و\(\phi\) في تصادمات Au+Au عند 200 GeV (star_rho00_200) وكانت النتائج متوافقة مع \(\tfrac{1}{3}\) ضمن نطاق الشكوك. وعند LHC، كشفت قياسات ALICE في تصادمات Pb+Pb متوسطة المركزية بطاقة 5.02 TeV (alice_kstar_phi_rho00) أن قيمة \(\rho_{00}\) لـ\(K^{*0}\) تقع دون \(\tfrac{1}{3}\) عند قيم منخفضة من \(p_{\mathrm{T}}\)، بينما ظلت \(\rho_{00}\) لـ\(\phi\) متوافقة معها. كما لوحظ اعتماد قوي على المركزية في منطقة \(p_{\mathrm{T}}\) المنخفضة، في حين أظهرت تصادمات p+p انحرافات صفريّة. وفي بيانات STAR من BES (star_bes_rho00) طفت إشارة مفاجئة: في وسطيات المركزية، تجاوزت \(\rho_{00}\) لبوزونات \(\phi\) قيمة \(\tfrac{1}{3}\) بشكل كبير، بينما بقيت \(\rho_{00}\) لـ\(K^{*0}\) متوافقة معها. ولا تفسر مصادر الاستقطاب التقليدية مثل الدوامة الوسطية أو الحقل الكهرومغناطيسي هذه الإشارة القوية لبوزونات \(\phi\). وقد اقترح استقطاب عبر حقل قوة لبوزون متجه متقلب لشرح هذا الانحراف (sheng_phi_field). مؤخراً، أتاحت بيانات النظائر ذات الإحصائيات العالية من STAR قياساً دقيقاً لـ\(\rho_{00}\) لكل من \(K^{*0}\) و\(K^{*\pm}\) (انظر اللوحة اليسرى في الشكل fig-4). ورغم الاختلاف بنحو خمسة أضعاف في اللحظات المغناطيسية لـ\(K^{*0}\) و\(K^{*\pm}\)، لم يُرَتَقع \(\rho_{00}(K^{*0})\) فوق \(\rho_{00}(K^{*\pm})\) كما كان متوقعاً نظرياً، بل لوحظ العكس، وهو أمر يفتقر حالياً إلى تفسير نظري متكامل.
أفادت ALICE مؤخراً بأول ملاحظة لاستقطاب دوران \(J/\psi\) في قناة الدي-ميون ضمن منطقة السرعة الأمامية. ويعرض الجانب الأيمن من الشكل fig-4 معامل استقطاب الدوران \(\lambda_{\theta}\) (حيث \(\lambda_{\theta}\propto\frac{3\rho_{00}-1}{1-\rho_{00}}\)) كدالة للمركزية في تصادمات Pb+Pb عند 5.02 TeV (alice_jpsi_spin). وعلى عكس \(\rho_{00}\) لبوزونات \(\phi\) و\(K^{*0}\) في منتصف السرعة، وجد أن \(\rho_{00}\) المشتقة لـ\(J/\psi\) في المنطقة الأمامية تتجاوز \(\tfrac{1}{3}\). وهذه النتيجة مثيرة وتتطلّب تفسيراً نظرياً إضافياً.
المُلَخَّص
ختاماً، تؤكد القياسات العالمية لاستقطاب دوران الهايبرونات عبر طاقات FAIR وRHIC وLHC الطبيعة الشاملة لهذا الاستقطاب في تصادمات الأيونات الثقيلة. وستتيح القياسات الأكثر دقة والتفاضلية استكشاف تفاصيل أعمق وتقييد النماذج المختلفة. وتعدّ التجارب المستقبلية عند طاقات منخفضة أساسية لمعرفة ما إذا كان استقطاب \(P_{\Lambda}\) يتلاشى أم يستمر. كذلك، تجرى حاليًا قياسات دقيقة للاستقطاب المحلي (\(P_{z}\)) للهايبرونات من RHIC إلى LHC، ما يقدّم مؤشرات جديدة للبنية الدوامية المعقدة للوسط. وفضلاً عن ذلك، تثير هذه النتائج نقاشًا حول ظواهر الدوران الناشئة مثل استقطاب القص المستحث وتأثير هول الدوران الباريوني، مسهمةً في تطوير الهيدروديناميكيات الدورانية ونظرية الدوران الحركية وغيرها. ولا تزال قياسات محاذاة دوران الميزونات المتجهة في RHIC وLHC مفاجئة ومحيرة، إذ يتطلب انحراف \(\rho_{00}\) بعلامة معاكسة بين الأنواع المختلفة تدخلاً نظرياً إضافياً لفهم أعمق للبيانات.
الشُكْر وَالتَقْدِير
يعرب SS عن خالص شكره لدعم برنامج الأولويات الاستراتيجية للبحث العلمي التابع لأكاديمية العلوم الصينية (منحة XDB34000000).