المُلَخَّص

نُقدِّم نتائج القياسات العالمية لاستقطاب دوران الهايبرونات (\(P_{\Lambda}\)) عبر طاقات FAIR وRHIC وLHC. يواصل \(P_{\Lambda}\) الازدياد باتجاه الطاقات المنخفضة، وصولًا إلى ما دون \(\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}\) 7.7 GeV، ما يدلّ على أنّ الدوّاميّة الكبيرة تظلّ سائدة حتّى في نطاق الغَلَبة الهادرونية. كما أنّ قياسات الاستقطاب الموضعي (\(P_{z,2}\)) في تصادمات النظائر تتّبع النمط نفسه المُشاهَد سابقًا في RHIC وLHC. ويُظهِر مؤشِّرٌ مستلهَم من تأثير هولِ الدورانِ الباريونيّ المتوقَّع، وهو الاستقطاب الموضعي الصافي (\(P_{z,2}^{\mathrm{net}}\))، قيمةً سالبةً في تصادمات Au+Au عند \(\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}\) = 19.6 و27 GeV. وأظهر أوّل قياس لـ\(P_{z}\) بالنسبة للتوافقي الثالث في تصادمات النظائر عند RHIC بطاقة 200 GeV تعديلًا جيبيًّا واضحًا، كاشفًا عن بُنيةٍ دوّاميّةٍ مُعقّدة في الوسط. كما برزت أيضًا أنماطٌ غير متوقَّعة من محاذاة دوران البوزونات المتجهة (\(\rho_{00}\)) لعددٍ من الميزونات مثل \(K^{*0}\) و\(K^{*\pm}\) و\(\phi\) و\(J/\psi\) عند طاقات RHIC وLHC؛ ويُشكّل الانحرافُ الكبير في \(\rho_{00}\) لدى بعض الأنواع تحدّيًا للنظرية.

المُقَدِّمَة

في تصادمات الأيونات الثقيلة ذات مُعامِل تأثير غير صفري، يتولّد زخمٌ زاويٌّ مداريٌّ هائل (OAM \(\sim 10^{5}-10^{7}\hbar\)) في منطقة التفاعل (Becattini وآخرون). يمكن أن يُنقَل جزءٌ من هذا الزخم إلى بلازما الكوارك-غلوون (QGP)، فيستقطب الكواركات ومضادّاتها عبر ما يُعرَف باقتران “الدوران–المدار” (Liang وآخرون). وعند الهادرنة، يُترجَم استقطابُ الكواركات إلى الهادرونات الناتجة ذات العزم الزاوي غير الصفري على امتداد اتجاه OAM. وفي المراحل الأوّلية، يُتوقَّع أيضًا نشوءُ حقلٍ مغناطيسيٍّ هائل (\(B\sim10^{18}\) Gauss) (Kharzeev وآخرون)، قد يُحدِث فروقًا في استقطاب الكواركات ومضادّاتها تبعًا لاختلاف عزومِهم المغناطيسية. وبناءً عليه، تُمكّن قياساتُ الاستقطاب من تتبّع البصمات الأوّلية لكلٍّ من OAM والحقل المغناطيسي. وتُساعِد هذه القياسات في استكشاف استجابة وسط QGP لهذه الظروف القاسية، وتفتح الباب لدراسة ديناميّات الدوران في QGP.

اِسْتِقْطابُ دَوَرانِ الهايبرونات

يمكن قياس الاستقطاب العالمي للهايبرونات (\(P_{\mathrm{H}}\)) من التوزيع الزاوي للباريون الناتج في إطار راحة الهايبرون الأم، بالاستفادة من الاضمحلال الضعيف المُنتهِك للتكافؤ (Schilling وآخرون). في عام 2007، وضعت تجربة STAR حدًّا أعلى على \(P_{\Lambda}\) (< 2%) في تصادمات Au+Au بطاقة 200 GeV (star_lambda_prc). ومن أبرز إنجازات STAR لاحقًا تقديمُ أوّل دليلٍ على استقطابٍ موجب لكلٍّ من \(\Lambda\) و\(\bar{\Lambda}\) ضمن برنامج مسح طاقة الحزمة RHIC Beam Energy Scan (BES). وبافتراض التوازن الحراري الموضعي وبالاستناد إلى نماذج هيدروديناميكيّة، كشفت بيانات BES عن دوّاميّة مقدارها (~9 ± 1)×\(10^{21}/s\) (star_lambda_nature_bes)، ما يشير إلى أكثر سائلٍ دوّاميّةً أُنتِج في المختبر. كذلك كان \(P_{\bar{\Lambda}}\) أعلى بثباتٍ من \(P_{\Lambda}\) عبر مختلف الطاقات، ما حفّز توقّعاتٍ بوجود تفارُقٍ في الاستقطاب بفعل الحقل المغناطيسي (\(B\))، غير أنّ دقّة القياسات لم تكن كافيةً لحسم الأمر. ولاحقًا، أبلغت STAR عن \(P_{\Lambda}\) غير صفري بدقّة أعلى، مع قياساتٍ تفاضليّة بدلالة المركزيّة والزخمِ العرضي والاندفاع عند أعلى طاقة لـ RHIC (star_lambda_prc_200GeV)، حيث لوُحِظ تزايد \(P_{\Lambda}\) من التصادمات المركزيّة نحو الطرفيّة بما ينسجم مع توقّعات الدوّاميّة. بالمقابل، رصدت ALICE في LHC استقطابًا متوافقًا مع الصفر (alice_lambda_prc). وحديثًا، مدّدت STAR وHADES القياسات إلى طاقات أدنى (star_lambda_prc_3GeV وhades_lambda_prc)، حيث ظهر استقطابٌ ملحوظ بنحو 5%. ويُظهِر \(P_{\Lambda}\) اعتمادًا أحاديًا يتناقص مع ازدياد طاقة التصادم من 2.4 GeV حتّى 5.02 TeV، أي إنّه يزداد باتّجاه الطاقات المنخفضة. وتُفسِّر نماذج النقل والهيدروديناميكا هذا الاعتماد على الطاقة بإرجاع الارتفاع الأحادي عند الطاقات المنخفضة إلى تآثر مجال القصّ مع توقّف الباريونات. وقد تلعب سيناريوهاتٌ أخرى، مثل انتقال الاستقطاب نحو الاندفاع الأمامي وطول عمر QGP، دورًا إضافيًا. ومع ذلك، يبقى استمرارُ دوّاميّةٍ كبيرةٍ في وسطٍ يغلب عليه الطورُ الهادروني عند \(\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}\) < 7.7 GeV لُغزًا يتطلّب مزيدًا من الدراسات النظريّة والتجريبيّة.

الاِسْتِقْطابُ العالَمِيّ للدَّوَرانِ فِي تَصادُماتِ النَّظائِر

توفّر تصادماتُ النظائر ذات الإحصائيّات العالية في مُعجِّل RHIC بطاقة 200 GeV (\(_{44}^{96}\mathrm{Ru}+_{44}^{96}\mathrm{Ru}\) و\(_{40}^{96}\mathrm{Zr}+_{40}^{96}\mathrm{Zr}\)) (blind_isobar) فرصًا جديدةً لقياسات الاستقطاب. وبسبب عدد البروتونات الأكبر، يُتوقَّع أن يكون الحقلُ المغناطيسيّ الأوّلي في تصادمات Ru+Ru أقوى منه في تصادمات Zr+Zr؛ لذا يمكن لقياس \(P_{\Lambda}\) و\(P_{\bar{\Lambda}}\) في هذه النظائر أن يستكشف أثر الحقل الأوّلي (\(B\)). علاوةً على ذلك، توقّعت عدّةُ حساباتٍ نموذجيّة تبعيّةً لحجم النظام في \(P_{\Lambda}\) (\(P_{\Lambda}^{\mathrm{O+O}} > P_{\Lambda}^{\mathrm{Ru+Ru}} > P_{\Lambda}^{\mathrm{Au+Au}}\)) (system_size_pol)، ما يُتيح استخدام بيانات النظائر لاختبار هذه التبعيات. أفاد تعاون STAR بأنّ \(P_{\Lambda}\) و\(P_{\bar{\Lambda}}\) في تصادمات النظائر يتّبعان الاعتماد على المركزيّة ذاته كما في Au+Au (xgou)، ولم يُرصَد أيّ تفارُقٍ بين \(\Lambda\) و\(\bar{\Lambda}\) أو بين نوعَي النظام ضمن دقّة القياس الحاليّة. على أنّ بيانات RHIC BES-II المتوقَّعة بدقّة أعلى قد تُتيح استكشاف آثار الحقل المغناطيسي بصورةٍ أوضح. كما أنّ مقارنة نتائج النظائر مع تصادمات Au+Au لم تكشف عن تبعيّةٍ واضحةٍ لحجم النظام في \(P_{\Lambda}\) أو \(P_{\bar{\Lambda}}\) عند نفس المركزيّة. وسيُقدّم تصادم نظامٍ أصغر مثل O+O رؤى إضافيّة. ومن جهةٍ أخرى، أبلغت STAR لأوّل مرّة عن استقطابٍ غير صفري لهايبرونات \(\Xi\) و\(\Omega\) في تصادمات Au+Au بطاقة 200 GeV (xi_omg_pol)، بما يُؤكّد الطبيعة الشاملة للاستقطاب الدورانيّ في هذه التصادمات. ويمكن لقياساتٍ أدقّ لاستقطاب \(\Xi\) و\(\Omega\) في جولات RHIC القادمة أن تختبر أثر اختلافات الدوران والعزوم المغناطيسية على الاستقطاب.

الاِسْتِقْطابُ المَحلِّيّ للدَّوَرانِ لِلهايبروناتِ فِي تَصادُماتِ النَّظائِر

أظهرت دراساتٌ حديثة أنّ التدفّق الجماعيّ المُقترِن بالدوّاميّة يمكن أن يولِّد استقطابًا طوليًّا جديدًا (\(P_{z}\)) على طول محور الحُزمة (Becattini_pz). وقد رصدت STAR أوّل تعديلٍ جيبيٍّ غير صفريّ لـ\(P_{z}\) لهايبرونات \(\Lambda\) و\(\bar{\Lambda}\) بالنسبة لتوافقيّ التدفق الثاني (\(\Psi_{2}\)) في تصادمات Au+Au عند 200 GeV (star_lambda_pz). وعلى الرغم من نجاح عدّة نماذج هيدروديناميكيّة ونقل في وصف الاعتماد على طاقة الحزمة للاستقطاب العالمي، فإنّها لم تتمكّن من تفسير نمط \(P_{z}\) بالإشارة الصحيحة، وهو ما عُرِف بـ “لُغز الإشارة”. ولاحقًا، أظهرت ALICE في LHC نمطًا مشابهًا في تصادمات Pb+Pb عند 5.02 TeV (alice_lambda_pz). ومؤخرًا، أُحرِز تقدّمٌ نظريٌّ مهمّ باتجاه حلّ هذا اللغز، حيث وُجِد أنّ إضافة “مصطلح القصّ” إلى المعادلات تُتيح تفسير الإشارة الصحيحة لـ\(P_{z}\) (shear_pz_sign).

أبلغت STAR عن القياسات الموضعيّة للتوافقيّ الثاني من الاستقطاب الطولي (\(P_{z,2}\)) 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). وتُلمِح النتائج إلى تبعيّةٍ طفيفة لحجم النظام، بينما لا يظهر سلوكٌ واضح لاعتماد الطاقة في \(P_{z,2}\). كما مُدِّدت هذه القياسات لتشمل التوافقيّ الثالث (\(P_{z,3}\)) في تصادمات النظائر، حيث لوُحِظ تعديلٌ جيبيٌّ كبير وغير صفريّ (xgou). ويُظهِر كلٌّ من \(P_{z,2}\) و\(P_{z,3}\) اتجاهًا متشابهًا مع المركزيّة، غير أنّ \(P_{z,3}\) يبقى أصغرَ منهجيًّا من \(P_{z,2}\) في التصادمات الطرفيّة. وتُتيح هذه القياسات الموضعيّة فهمًا أعمق للهياكل الدوّاميّة المُعقّدة، فضلًا عن تقييد الشروط الأوليّة ومعاملات النقل في النماذج المختلفة.

حديثًا، اقترحت الدراسات أنّ التدرّج في الجهد الكيميائيّ الباريوني (\(\nabla \mu_{B}\)) قد يسبّب انقسامًا في استقطاب دوران الهايبرونات \(\Lambda\) و\(\bar{\Lambda}\)، يُمثَّل بالاستقطاب الموضعي الصافي (\(P_{z,2}^{\mathrm{net}}\)). وبما أنّ هذا يُناظر تأثير هول في فيزياء المادّة المكثّفة، يُسمّى “تأثير هول الدوران الباريوني” (she_prediction). وتشير النماذج إلى أنّ هذا التأثير يكون أكثر وضوحًا عند طاقات حزمة منخفضة (أي جهد كيميائيّ باريوني أعلى)، حيث يُتوقَّع أن تكون إشارة \(P_{z,2}^{\mathrm{net}}\) موجبة وتزداد مع انخفاض الطاقة. وفي المقابل، في غياب هذا التأثير قد يظهر نمطٌ مماثل بإشارة سالبة. ويوفّر الإنتاجُ الوفير لهايبرونات \(\Lambda\) و\(\bar{\Lambda}\) والجهد الكيميائيّ الباريوني الكبير في نطاق RHIC BES بيئةً مثاليّة للتحقّق من هذه التنبّؤات. وقد أبلغت STAR عن الاستقطاب الموضعيّ الصافي (\(P_{z,2}^{\mathrm{net}}\)) في تصادمات نصف مركزيّة لـAu+Au عند 19.6 و27 GeV، كما يُبيّن الجزء الأيمن من الشكل [fig-3] (huqiang). كانت الإشارة سالبة ومتّسقة مع غياب تأثير هول الدوران الباريوني. وستكون قياسات \(P_{z}\) عند طاقات حزمة أدنى (\(\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}<\) 19.6 GeV) ضروريّة للتحقّق النهائي من هذا التأثير.

مُحاذاةُ دَوَرانِ البوزوناتِ المُتَّجِهة

تُعَدّ محاذاةُ دورانِ البوزونات المتجهة مكمِّلةً لقياسات استقطاب الهايبرونات؛ إذ تُقاس المحاذاةُ العالمية من العنصرِ القُطري ذي الفهرس \((00)\) (المُسمّى \(\rho_{00}\)) لمصفوفة كثافة الدوران الهيرميتية ذات أثرٍ يساوي واحدًا. في غياب أيّ محاذاة، يُتوقَّع أن تتّخذ \(\rho_{00}\) القيمة \(\tfrac{1}{3}\)، وأيُّ انحرافٍ عنها يشير إلى وجود محاذاةٍ صافية. في عام 2008، عرض تعاون STAR قياساتٍ لـ\(\rho_{00}\) لبوزونات \(K^{*0}\) و\(\phi\) في تصادمات Au+Au عند 200 GeV (star_rho00_200) وكانت النتائج متوافقةً مع \(\tfrac{1}{3}\) ضمن نطاق الشكوك. وعند LHC، كشفت قياسات ALICE في تصادمات Pb+Pb متوسّطة المركزيّة بطاقة 5.02 TeV (alice_kstar_phi_rho00) أنّ قيمة \(\rho_{00}\) لـ\(K^{*0}\) تقع دون \(\tfrac{1}{3}\) عند قيم منخفضة من \(p_{\mathrm{T}}\)، بينما ظلّت \(\rho_{00}\) لـ\(\phi\) متوافقةً معها. كما لوُحِظ اعتمادٌ قويّ على المركزيّة في منطقة \(p_{\mathrm{T}}\) المنخفضة، في حين لم تُرصَد انحرافاتٌ دالّة في تصادمات p+p. وفي بيانات STAR من BES (star_bes_rho00) برزت إشارةٌ لافتة: في متوسّطات المركزيّة، تجاوزت \(\rho_{00}\) لبوزونات \(\phi\) قيمة \(\tfrac{1}{3}\) بشكلٍ كبير، بينما بقيت \(\rho_{00}\) لـ\(K^{*0}\) متوافقةً معها. ولا تُفسِّر مصادر الاستقطاب التقليديّة مثل دوّاميّة الوسط أو الحقل الكهرومغناطيسي هذه الإشارة القويّة لبوزونات \(\phi\). وقد اقتُرح استقطابٌ بفعل مجال قُوى مرتبطٍ بتقلّبات البوزون المتّجه لشرح هذا الانحراف (sheng_phi_field). ومؤخرًا، أتاحت بيانات النظائر ذات الإحصائيّات العالية من STAR قياسًا دقيقًا لـ\(\rho_{00}\) لكلٍّ من \(K^{*0}\) و\(K^{*\pm}\) (انظر اللوحة اليُسرى في الشكل fig-4). ورغم الاختلاف بنحو خمسة أضعاف في العزوم المغناطيسيّة لـ\(K^{*0}\) و\(K^{*\pm}\)، لم ترتفع \(\rho_{00}(K^{*0})\) فوق \(\rho_{00}(K^{*\pm})\) كما كان متوقَّعًا نظريًّا، بل لوُحِظ العكس، وهو أمر يفتقر حاليًّا إلى تفسيرٍ نظريٍّ مُتكامل.

أفادت ALICE مؤخرًا بأوّل رصدٍ لاستقطاب دوران \(J/\psi\) في قناة الثنائي-ميون ضمن منطقة الاندفاع الأمامي. ويعرض الجانب الأيمن من الشكل fig-4 معامل استقطاب الدوران \(\lambda_{\theta}\) (حيث \(\lambda_{\theta}\propto\frac{3\rho_{00}-1}{1-\rho_{00}}\)) بدلالة المركزيّة في تصادمات Pb+Pb عند 5.02 TeV (alice_jpsi_spin). وعلى خلاف \(\rho_{00}\) لبوزونات \(\phi\) و\(K^{*0}\) عند منتصف الاندفاع، وُجِد أنّ \(\rho_{00}\) المُستخرَجة لـ\(J/\psi\) في المنطقة الأمامية تتجاوز \(\tfrac{1}{3}\). هذه النتيجة مُثيرة وتتطلّب تفسيرًا نظريًا إضافيًا.

الخُلاصَة والاستِنتاجات

تؤكّد القياساتُ العالميّة لاستقطاب دوران الهايبرونات عبر طاقات FAIR وRHIC وLHC الطبيعةَ الشاملة لهذا الاستقطاب في تصادمات الأيونات الثقيلة. وستُتيح القياساتُ الأكثر دقّةً والتفاضليّة استكشافَ تفاصيل أعمق وتقييدَ النماذج المختلفة. كما تُعَدّ التجاربُ المستقبلية عند طاقات منخفضة أساسيّةً لمعرفة ما إذا كان استقطاب \(P_{\Lambda}\) يتلاشى أم يستمر. وفي السياق نفسه، تُجرى حاليًا قياساتٌ دقيقة للاستقطاب الموضعي (\(P_{z}\)) للهايبرونات من RHIC إلى LHC، ما يوفّر مؤشّراتٍ جديدة للبنية الدوّاميّة المُعقّدة للوسط. وفضلًا عن ذلك، تُثير هذه النتائج نقاشًا حول ظواهر الدوران الناشئة، مثل الاستقطاب المُستحثّ بالقصّ وتأثير هول الدوران الباريوني، مُساهِمَةً في تطوير الهيدروديناميكا الدورانيّة ونظريّة الدوران الحركيّة وغيرها. ولا تزال قياساتُ محاذاة دوران الميزونات المتجهة في RHIC وLHC مُفاجِئة ومحَيِّرة؛ إذ يتطلّب انحراف \(\rho_{00}\) بعلامةٍ معاكسةٍ بين الأنواع المختلفة تدخلًا نظريًا إضافيًا لفهمٍ أعمق للبيانات.

الشُّكر وَالتَّقدير

يُعرب المؤلِّف عن خالص شُكره لدعم برنامج الأولويّات الاستراتيجيّة للبحث العلميّ التابع لأكاديميّة العلوم الصينيّة (منحة XDB34000000).