W miliardzie zderzeń znaleziono niezwykły sygnał

Jak wyglądała materia tuż po Wielkim Wybuchu? Naukowcy próbują odpowiedzieć na to pytanie, odtwarzając ekstremalne warunki w laboratorium. W eksperymentach przeprowadzonych w amerykańskim ośrodku Brookhaven National Laboratory fizycy zderzali jądra złota z ogromnymi prędkościami, aby zbadać plazmę kwarkowo-gluonową – niezwykły stan materii, który istniał we wczesnym Wszechświecie. Analiza około miliarda zderzeń ujawniła zaskakującą anomalię.

Ślady tysięcy cząstek powstałych podczas zderzenia jonów złota, zarejestrowane przez detektor STAR w ośrodku RHIC. Fot. Brookhaven National Laboratory, 2012. Licencja: CC BY 2.0. [Źródło]

Materia, zanim powstały protony i neutrony

W pierwszych chwilach istnienia Wszechświat był niewyobrażalnie gorący i gęsty. Kwarki oraz gluony, z których zbudowane są protony i neutrony, nie były jeszcze trwale połączone w znane nam cząstki. Tworzyły plazmę kwarkowo-gluonową, którą naukowcy próbują dziś odtworzyć za pomocą akceleratorów cząstek.

W eksperymencie wykorzystano zderzenia jąder złota przy energiach od 3 do 7,7 GeV. Badacze analizowali, jak cząstki powstałe w tych kolizjach oddziałują ze sobą i jak zmieniają się korelacje między ich pędami.

Niespodziewana zmiana może wskazywać na punkt krytyczny

Najciekawszy wynik dotyczył zmian korelacji między cząstkami. Wraz ze zmianą energii zderzeń sygnał najpierw słabł, a następnie ponownie wzrastał. Według badaczy taka zależność może być wskazówką, że materia przechodzi w pobliżu punktu krytycznego – szczególnego miejsca na mapie stanów materii, w którym zmieniają się jej właściwości.

Odkrycie może pomóc ustalić, jak plazma kwarkowo-gluonowa przechodzi w zwykłą materię zbudowaną z protonów i neutronów. Wynik uzyskał istotność statystyczną określaną jako pięć sigma, choć sam w sobie nie stanowi jeszcze ostatecznego dowodu na znalezienie punktu krytycznego.

Dlaczego to odkrycie jest ważne?

Tunel akceleratora Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) w Brookhaven National Laboratory. W urządzeniu przyspiesza się wiązki jonów i doprowadza do ich zderzeń, aby badać właściwości materii w ekstremalnych warunkach. Fot. U.S. Department of Energy. Domena publiczna w USA. [Źródło]

Lepsze poznanie zachowania materii w ekstremalnych warunkach pozwoli naukowcom dokładniej opisać ewolucję wczesnego Wszechświata. Może też pomóc zrozumieć właściwości materii jądrowej występującej w niezwykle gęstych obiektach, takich jak gwiazdy neutronowe.

Badania nie oznaczają, że naukowcy odtworzyli cały Wielki Wybuch. Udało im się stworzyć na bardzo krótką chwilę niewielką ilość materii w warunkach przypominających te, które panowały we wczesnym kosmosie. To jednak wystarczy, by badać procesy, których nie da się bezpośrednio zaobserwować teleskopami.