مادة QCD

تشير مادة الكواركات أو مادة الكروموديناميكا الكمومية إلى المادة التي تحكمها الكروموديناميكا الكمومية والتي تتضمن الكواركات والغلوونات . عند درجات حرارة وكثافات مختلفة، تتخذ مادة الكواركات أشكالاً مختلفة، بما في ذلك غاز الهادرونات ، والمادة النووية ، وبلازما الكواركات والغلوونات ، ومناطق الموصلية الفائقة اللونية . ^{[ 1 ]}

تتحرر الكواركات لتشكل مادة الكواركات عند درجات حرارة و/أو كثافات عالية للغاية، ولا يزال بعضها نظريًا فقط لأنها تتطلب ظروفًا قاسية للغاية لا يمكن إنتاجها في أي مختبر، وخاصة في ظروف التوازن. في ظل هذه الظروف القاسية، يختلّ التركيب المألوف للمادة ، حيث تتكون مكوناته الأساسية من النوى (المؤلفة من النيوكليونات التي هي حالات مرتبطة من الكواركات) والإلكترونات. في مادة الكواركات، من الأنسب اعتبار الكواركات نفسها درجات الحرية الأساسية.

في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، تُوصف القوة النووية القوية بنظرية الكروموديناميكا الكمية . عند درجات الحرارة أو الكثافات العادية، تحصر هذه القوة الكواركات في جسيمات مركبة ( هادرونات ) بحجم حوالي 10⁻¹⁵ ^متر  = 1 فيمتومتر = 1 فيمتومتر (ما يعادل مقياس طاقة الكروموديناميكا الكمية ΛQCD _≈ 200 ميغا إلكترون فولت )، ولا تكون آثارها ملحوظة عند المسافات الأطول.     

مع ذلك، عندما تصل درجة الحرارة إلى مقياس طاقة الديناميكا اللونية الكمومية ( T من رتبة 10^ ¹² كلفن ) أو ترتفع الكثافة إلى النقطة التي يصبح فيها متوسط ​​المسافة بين الكواركات أقل من 1 فيمتومتر ( الجهد الكيميائي للكوارك μ حوالي 400 ميغا إلكترون فولت)، تنصهر الهادرونات إلى كواركاتها المكونة لها، ويصبح التفاعل القوي السمة المهيمنة في الفيزياء. تُسمى هذه الأطوار مادة الكواركات أو مادة الديناميكا اللونية الكمومية.  

قوة تأثير اللون تجعل خصائص مادة الكواركات مختلفة عن الغاز أو البلازما، مما يؤدي إلى حالة مادية أقرب إلى السائل. عند الكثافات العالية، تُعتبر مادة الكواركات سائل فيرمي ، ولكن من المتوقع أن تُظهر موصلية فائقة لونية عند الكثافات العالية ودرجات الحرارة الأقل من 10 ^{^12} كلفن.

يُعدّ النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، الذي يتضمن ستة أنواع مختلفة من الكواركات، بالإضافة إلى الليبتونات كالإلكترونات والنيوترينوات ، سياقًا لفهم الديناميكا الحرارية لمادة الكواركات. تتفاعل هذه الجسيمات عبر التفاعل القوي ، والكهرومغناطيسية ، والتفاعل الضعيف الذي يسمح بتحويل نوع من الكواركات إلى نوع آخر. تحدث التفاعلات الكهرومغناطيسية بين الجسيمات التي تحمل شحنة كهربائية، بينما تحدث التفاعلات القوية بين الجسيمات التي تحمل شحنة لونية .

يعتمد التعامل الديناميكي الحراري الصحيح مع مادة الكواركات على السياق الفيزيائي. بالنسبة للكميات الكبيرة التي تدوم لفترات طويلة (الحد الديناميكي الحراري)، يجب مراعاة أن الشحنات المحفوظة الوحيدة في النموذج القياسي هي عدد الكواركات (المكافئ لعدد الباريونات )، والشحنة الكهربائية، وشحنات الألوان الثمانية، وعدد الليبتونات . لكل من هذه الشحنات جهد كيميائي مرتبط بها. مع ذلك، يجب أن تكون أحجام كبيرة من المادة متعادلة كهربائيًا ولونيًا، وهو ما يحدد الجهد الكيميائي للشحنة الكهربائية واللونية. ينتج عن ذلك فضاء طور ثلاثي الأبعاد ، مُعَلم بالجهد الكيميائي للكواركات، والجهد الكيميائي لليبتونات، ودرجة الحرارة.

في النجوم المدمجة، تشغل مادة الكواركات حيزًا بحجم كيلومترات مكعبة وتستمر لملايين السنين، لذا فإن الحد الديناميكي الحراري مناسب. مع ذلك، تهرب النيوترينوات، مما يُخلّ بقانون عدد الليبتونات، لذا فإن فضاء الطور لمادة الكواركات في النجوم المدمجة له ​​بُعدان فقط: درجة الحرارة ( T ) والجهد الكيميائي لعدد الكواركات (μ). لا يقع الجسيم الغريب ضمن الحد الديناميكي الحراري للحجم الكبير، لذا فهو أشبه بنواة غريبة: قد يحمل شحنة كهربائية.

لا يقع تصادم الأيونات الثقيلة ضمن حدود الديناميكا الحرارية للأحجام الكبيرة أو الأزمنة الطويلة. وبغض النظر عن مسألة ما إذا كان التصادم متوازنًا بما يكفي لتطبيق الديناميكا الحرارية، فمن المؤكد أنه لا يوجد وقت كافٍ لحدوث تفاعلات ضعيفة، وبالتالي تبقى النكهة محفوظة، وتوجد كمونات كيميائية مستقلة لجميع نكهات الكواركات الست. وتحدد الشروط الابتدائية ( معامل التصادم ، وعدد الكواركات العلوية والسفلية في النوى المتصادمة، وحقيقة أنها لا تحتوي على كواركات من نكهات أخرى) الكمونات الكيميائية. (المراجع لهذا القسم: ^{[ 12 ] [ 13 ]} ).

استنادًا إلى حسابات نظرية دقيقة صالحة عند كثافة فائقة، وعدد قليل من التجارب العملية لتصادم الأيونات الثقيلة فائقة النسبية ، تم وضع مخطط أولي لمادة الكواركات كما هو موضح في الشكل على اليمين. وهو ذو أهمية لفهم لب النجوم النيوترونية، حيث أن الكمون الديناميكي الحراري الوحيد ذي الصلة هو الكمون الكيميائي للكواركات μ ودرجة الحرارة T. ^{[ 12 ]}

ولتسهيل الفهم، يعرض هذا النص أيضًا القيم النموذجية لـ μ و T في تصادمات الأيونات الثقيلة وفي الكون المبكر. بالنسبة للقراء غير الملمين بمفهوم الكمون الكيميائي، من المفيد اعتبار μ مقياسًا لعدم التوازن بين الكواركات والكواركات المضادة في النظام. تشير قيمة μ الأعلى إلى تحيز أقوى لصالح الكواركات على حساب الكواركات المضادة. عند درجات الحرارة المنخفضة، لا توجد كواركات مضادة، وبالتالي فإن قيمة μ الأعلى تعني عمومًا كثافة أعلى للكواركات.

المادة الذرية العادية كما نعرفها هي في الواقع طور مختلط، عبارة عن قطرات من المادة النووية (النوى) محاطة بالفراغ، وتوجد عند الحد الفاصل بين الفراغ والمادة النووية عند درجة حرارة منخفضة، عند طاقة μ  =  310  ميغا إلكترون فولت ودرجة حرارة قريبة من الصفر. إذا زدنا كثافة الكواركات (أي زدنا μ) مع الحفاظ على انخفاض درجة الحرارة، فإننا ننتقل إلى طور من المادة النووية المضغوطة بشكل متزايد. اتباع هذا المسار يُشبه التعمق أكثر فأكثر في نجم نيوتروني .

في نهاية المطاف، عند قيمة حرجة غير معروفة لـ μ، يحدث انتقال إلى مادة الكواركات. عند الكثافات العالية جدًا، نتوقع العثور على طور مُقيد اللون والنكهة (CFL) لمادة الكواركات فائقة التوصيل اللوني . عند الكثافات المتوسطة، نتوقع وجود أطوار أخرى (مُشار إليها بـ "سائل الكواركات غير المُقيد اللوني" في الشكل) والتي لا تزال طبيعتها غير معروفة. ^{[ 12 ] [ 13 ]} قد تكون هذه الأطوار أشكالًا أخرى من مادة الكواركات فائقة التوصيل اللوني، أو شيئًا مختلفًا.

تخيل الآن البدء من الزاوية السفلية اليسرى لمخطط الطور، في الفراغ حيث μ  = T = 0. إذا قمنا بتسخين النظام دون تفضيل الكواركات على الكواركات المضادة، فإن هذا يُعادل التحرك عموديًا لأعلى على طول محور درجة الحرارة . في البداية، تظل الكواركات محصورة، ونُكوّن غازًا من الهادرونات ( البيونات في الغالب). ثم عند درجة حرارة تقارب 150 ميغا إلكترون فولت ، يحدث تحول إلى بلازما الكواركات والغلوونات: تُفكك التقلبات الحرارية البيونات، ونجد غازًا من الكواركات والكواركات المضادة والغلوونات، بالإضافة إلى جسيمات أخف مثل الفوتونات والإلكترونات والبوزيترونات، إلخ. يُعادل اتباع هذا المسار السفر إلى الماضي البعيد (إن صح التعبير)، إلى حالة الكون بعد الانفجار العظيم بفترة وجيزة (حيث كان هناك تفضيل ضئيل جدًا للكواركات على الكواركات المضادة).      

الخط الصاعد من انتقال المادة النووية/الكواركية، ثم ينحني عائدًا نحو محور T ، ونهايته مُشار إليها بنجمة، هو الحدّ المفترض بين الطورين المحصور وغير المحصور. وحتى وقت قريب، كان يُعتقد أيضًا أنه حدّ بين أطوار تنكسر فيها التناظرية الكيرالية (درجات حرارة وكثافة منخفضة) وأطوار لا تنكسر فيها (درجات حرارة وكثافة عالية). من المعروف الآن أن طور CFL يُظهر كسرًا في التناظرية الكيرالية، وقد تُكسر التناظرية الكيرالية أيضًا في أطوار أخرى من المادة الكواركية، لذا فليس من الواضح ما إذا كان هذا حقًا خط انتقال كيرالي. ينتهي الخط عند " النقطة الحرجة الكيرالية "، المُشار إليها بنجمة في هذا الشكل، وهي درجة حرارة وكثافة خاصتان يُتوقع عندهما حدوث ظواهر فيزيائية لافتة، تُشبه ظاهرة التلألؤ الحرج . (المراجع لهذا القسم: ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} ).

للحصول على وصف كامل لمخطط الطور، لا بد من فهم شامل للمادة الهادرونية الكثيفة ذات التفاعلات القوية، ومادة الكواركات ذات التفاعلات القوية، انطلاقًا من نظرية أساسية، مثل الديناميكا اللونية الكمومية (QCD). مع ذلك، ولأن هذا الوصف يتطلب فهمًا دقيقًا للديناميكا اللونية الكمومية في نظامها غير الاضطرابي، وهو نظام لا يزال بعيدًا عن الفهم الكامل، فإن أي تقدم نظري يظل بالغ الصعوبة.

لا تزال بنية طور مادة الكواركات في معظمها تخمينية، لصعوبة إجراء حسابات تتنبأ بخصائصها. والسبب هو أن نظرية الكروموديناميكا الكمية (QCD)، التي تصف التفاعل السائد بين الكواركات، ترتبط ارتباطًا وثيقًا عند الكثافات ودرجات الحرارة ذات الأهمية الفيزيائية القصوى، ولذا يصعب جدًا استخلاص أي تنبؤات منها. فيما يلي وصف موجز لبعض المناهج القياسية.

من الناحية التجريبية، يصعب رسم مخطط طور مادة الكواركات، نظراً لصعوبة ضبط درجات الحرارة والكثافة المطلوبة في التجارب المخبرية باستخدام تصادمات الأيونات الثقيلة النسبية. مع ذلك، ستوفر هذه التصادمات في نهاية المطاف معلومات حول الانتقال من المادة الهادرونية إلى بلازما الكواركات والغلوونات. وقد أشير إلى أن رصد النجوم المدمجة قد يُسهم أيضاً في تحديد المعلومات المتعلقة بمنطقة الكثافة العالية ودرجة الحرارة المنخفضة. وتقدم نماذج تبريد هذه النجوم، وتباطؤ دورانها، وترنحها معلومات حول الخصائص ذات الصلة لباطنها. ومع ازدياد دقة عمليات الرصد، يأمل الفيزيائيون في التوصل إلى مزيد من المعرفة. ^{[ 12 ]}

يُعدّ البحث عن الموقع الدقيق للنقطة الحرجة الكيرالية أحد المواضيع الطبيعية للبحث المستقبلي. وقد تكون بعض حسابات نظرية الكروموديناميكا الكمية الشبكية الطموحة قد وجدت أدلةً على وجودها، وستُسهم الحسابات المستقبلية في توضيح الوضع. قد يكون من الممكن قياس موقعها تجريبيًا من خلال تصادمات الأيونات الثقيلة، ولكن هذا سيتطلب مسحًا عبر نطاق من قيم μ وT. ^{[ 17 ]}

في عام 2020، ظهرت أدلة تشير إلى أن لب النجوم النيوترونية التي تبلغ كتلتها حوالي ضعف كتلة الشمس ( 2 M☉ ₎ يتكون على الأرجح من مادة الكواركات. ^{[ 4 ] [ 18 ]} استندت هذه النتائج إلى قياسات التشوه المدّي للنجوم النيوترونية أثناء اندماجها ، والتي رصدتها مراصد موجات الجاذبية ، مما أدى إلى تقدير نصف قطر النجم، بالإضافة إلى حسابات معادلة الحالة التي تربط بين الضغط وكثافة الطاقة في لب النجم. كانت هذه الأدلة مُشيرة بقوة، لكنها لم تُثبت بشكل قاطع وجود مادة الكواركات. 

• تثبيت اللون والنكهة – ظاهرة في المادة الغريبة عالية الكثافة 
• الديناميكا اللونية الكمومية الشبكية – الديناميكا اللونية الكمومية على الشبكة 
• الديناميكا اللونية الكمومية – نظرية التفاعلات النووية القوية 
• بلازما الكوارك-غلوون – حالة من حالات المادة ذات أهمية في علم الكونيات وفيزياء الجسيمات 
• نجم الكوارك – نجم غريب مضغوط يتكون من مادة تتألف في الغالب من الكواركات 
• الموصلية الفائقة اللونية SU(2) – خاصية من خصائص مادة الكواركات 
• المادة الغريبة – مادة متدهورة مصنوعة من الكواركات الغريبة 
• الغرابة وبلازما الكوارك-غلوون – بصمة دون ذرية. صفحات تعرض أوصافًا موجزة للأهداف المُعاد توجيهها. 
• توسيع 1/N – التحليل الاضطرابي لنظريات الحقل الكمومي 

• آرونسون، إس. ولودلام، تي.: "مطاردة بلازما الكوارك والغلوون" ، وزارة الطاقة الأمريكية (2005)
• ليتيسييه، جان؛ رافيلسكي، يوهان (9 فبراير 2023). الهادرونات وبلازما الكوارك-غلوون (  الطبعة الأولى). مطبعة جامعة كامبريدج. doi : 10.1017/9781009290753 . ISBN 978-1-009-29075-3.
• هاندز، إس. (2001). "مخطط الطور لنظرية الكروموديناميكا الكمية". الفيزياء المعاصرة . 42 (4): 209-225 . arXiv : physics/0105022 . Bibcode : 2001ConPh..42..209H . doi : 10.1080/00107510110063843 . S2CID 16835076 . 
• ك. راجاجوبال (2001). "حرروا الكواركات" (ملف PDF) . خط الحزمة . 32 (2): 9-15 .

• مجلة افتراضية حول موضوع الديناميكا اللونية الكمومية
• مصادم الأيونات الثقيلة النسبية يكتشف مادة مضادة غريبة