Wgląd w daleką przeszłość

Wielki Zderzacz Hadronów po raz kolejny pozwolił fizykom zajrzeć w niezwykle odległą przeszłość. Naukowcy pracujący przy eksperymencie ALICE uzyskali oznaki powstania plazmy kwarkowo-gluonowej – ekstremalnego stanu materii, który miał wypełniać Wszechświat zaledwie ułamki sekundy po Wielkim Wybuchu.

Tym razem szczególnie interesujące okazało się jednak nie samo odtworzenie tego stanu, lecz sposób, w jaki udało się go uzyskać. Fizycy wykorzystali bowiem zderzenia jąder tlenu-16 i neonu-20, czyli znacznie lżejszych jąder niż te, które tradycyjnie stosowano do badań plazmy kwarkowo-gluonowej. Wyniki opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters mogą zmienić sposób, w jaki naukowcy badają najmłodsze etapy historii kosmosu.

Materia, która istniała chwilę po Wielkim Wybuchu

Współczesna fizyka zakłada, że młody Wszechświat był zupełnie inny od tego, który znamy obecnie. W pierwszych momentach po Wielkim Wybuchu temperatura i gęstość były tak ogromne, że protony i neutrony nie mogły jeszcze istnieć jako stabilne cząstki.

Ich składniki – kwarki i gluony – znajdowały się w stanie określanym jako plazma kwarkowo-gluonowa (QGP). Kwarki są podstawowymi składnikami protonów i neutronów, natomiast gluony odpowiadają za przenoszenie oddziaływania silnego, które wiąże kwarki ze sobą.

W miarę rozszerzania się i ochładzania Wszechświata plazma zaczęła przechodzić w bardziej uporządkowany stan. Kwarki zostały uwięzione wewnątrz hadronów, w tym protonów i neutronów. To właśnie z tych cząstek powstała później materia, z której zbudowane są gwiazdy, planety i my sami.

CERN od lat próbuje odtworzyć tę niezwykłą fazę historii kosmosu w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych.

Jak stworzyć „mały Wielki Wybuch”?

Nie można oczywiście odtworzyć całego Wielkiego Wybuchu. Naukowcy mogą jednak stworzyć mikroskopijny obszar materii znajdującej się przez ekstremalnie krótki czas w warunkach przypominających te panujące we wczesnym Wszechświecie.

Służy do tego Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) znajdujący się w CERN pod Genewą.

W najnowszym eksperymencie naukowcy przyspieszali jądra tlenu-16 oraz neonu-20 do prędkości bliskich prędkości światła. Następnie doprowadzali do ich zderzeń. Energia skoncentrowana w niewielkim obszarze wystarczała, aby powstała ekstremalnie gorąca materia, w której pojawiały się cechy charakterystyczne dla plazmy kwarkowo-gluonowej.

Temperatury w takim stanie mogą być ponad 100 tysięcy razy wyższe niż temperatura wnętrza Słońca. Sama plazma istnieje jednak niezwykle krótko – praktycznie natychmiast zaczyna się rozszerzać i rozpadać na inne cząstki.

Eksperyment ALICE – gigantyczny detektor

Jednym z najważniejszych urządzeń wykorzystywanych do badania takich zderzeń jest ALICE (A Large Ion Collider Experiment).

Detektor ma około 26 metrów długości, 16 metrów wysokości i 16 metrów szerokości, a jego masa wynosi około 10 tysięcy ton. Znajduje się w podziemnej hali około 56 metrów pod powierzchnią ziemi.

Dlaczego wcześniej używano ciężkich jąder?

Przez lata eksperymenty nad plazmą kwarkowo-gluonową koncentrowały się przede wszystkim na zderzeniach ciężkich jąder, zwłaszcza jąder ołowiu.

Intuicja była prosta: im więcej protonów i neutronów znajduje się w jądrze, tym większa ilość materii może zostać zaangażowana w zderzenie. W odpowiednio energetycznej kolizji powstaje wtedy obszar o bardzo wysokiej temperaturze i gęstości, w którym mogą pojawić się warunki sprzyjające powstaniu QGP.

Wyniki najnowszych eksperymentów pokazują jednak, że nie zawsze potrzebne są tak ogromne jądra. Zderzenia znacznie lżejszych pierwiastków również mogą prowadzić do powstania charakterystycznych sygnałów związanych z plazmą kwarkowo-gluonową.

To ważna zmiana, ponieważ otwiera możliwość badania tego stanu materii w nowych warunkach.

Neutron i proton nie są idealnymi kulami

Eksperyment przyniósł również interesujące informacje dotyczące samej budowy jąder atomowych.

Jednym z badanych jąder było neon-20. Okazało się, że jego jądro ma nietypowy, wydłużony kształt przypominający kręgiel. Właśnie ta geometria pozostawiła charakterystyczny ślad w produktach zderzenia.

To niezwykle interesujące, ponieważ naukowcy nie obserwują bezpośrednio samej plazmy kwarkowo-gluonowej. Jest ona zbyt krótkotrwała, aby można było zrobić jej klasyczne zdjęcie.

Zamiast tego fizycy analizują cząstki powstające po rozpadzie plazmy.

„Cień” pierwotnej materii

Można to porównać do próby poznania kształtu niewidocznego przedmiotu na podstawie jego cienia.

Jeżeli zderzają się jądra o określonej geometrii, ich kształt wpływa na sposób rozchodzenia się powstałej materii i późniejszy rozkład cząstek.

W przypadku kulistego jądra rozkład produktów zderzenia będzie bardziej symetryczny. Jeśli jednak jądro ma wydłużony lub nietypowy kształt, pozostawia charakterystyczny wzór.

Analizując te wzory, fizycy mogą więc wyciągać informacje zarówno o powstałej plazmie, jak i o strukturze samych jąder atomowych.

Eksperyment pozwala badać dwie zagadki jednocześnie

Najnowsze wyniki są interesujące nie tylko z punktu widzenia kosmologii.

Z jednej strony pozwalają badać ewolucję bardzo młodego Wszechświata. Z drugiej – dostarczają nowych informacji o tym, jak zorganizowane są protony i neutrony wewnątrz jąder atomowych.

To pokazuje, jak silnie fizyka cząstek elementarnych łączy się z kosmologią.

Warunki, które można stworzyć na kilka niewyobrażalnie krótkich chwil w laboratorium, przypominają bowiem te, które panowały w całym Wszechświecie miliardy lat temu.

Plazma kwarkowo-gluonowa nie jest już tylko teorią

Pierwsze eksperymenty mające na celu stworzenie i badanie plazmy kwarkowo-gluonowej prowadzono w CERN już od lat 80. XX wieku. Początkowo wykorzystywano stosunkowo lekkie jądra, między innymi tlenu i siarki.

Późniejsze eksperymenty z cięższymi jądrami, zwłaszcza ołowiu, dostarczyły znacznie mocniejszych dowodów na powstawanie tego niezwykłego stanu materii. Około 2000 roku zgromadzono już przekonujące dowody na jego istnienie.

Dzisiejsze badania idą jednak krok dalej. Naukowcy próbują ustalić, jak mały może być układ zdolny do wytworzenia QGP i jakie właściwości musi posiadać, aby powstała ta ekstremalna forma materii.

Co daje zderzanie coraz lżejszych jąder?

Odpowiedź na to pytanie może mieć duże znaczenie dla fizyki.

Jeżeli plazma kwarkowo-gluonowa może powstawać również w bardzo małych układach, fizycy będą mogli dokładniej badać granicę pomiędzy zwykłą materią jądrową a materią, w której kwarki i gluony zachowują się w bardziej swobodny sposób.

Naukowcy planują już kolejne eksperymenty. Następnym krokiem mają być zderzenia jeszcze lżejszych jąder, w tym helu.

Może to pozwolić sprawdzić, czy granica powstawania plazmy kwarkowo-gluonowej znajduje się jeszcze niżej, niż dotychczas zakładano.

Dlaczego to ważne dla poznania Wszechświata?

Badanie plazmy kwarkowo-gluonowej jest w pewnym sensie próbą odtworzenia najwcześniejszego rozdziału historii kosmosu.

Według obecnego obrazu ewolucji Wszechświata początkowo panowały warunki tak ekstremalne, że zwykła materia, jaką znamy dzisiaj, nie mogła jeszcze istnieć. Dopiero wraz ze spadkiem temperatury kwarki zaczęły łączyć się w protony i neutrony, a później powstały jądra atomowe.

Eksperymenty w CERN pozwalają więc nie tylko badać egzotyczną materię. Są również sposobem na sprawdzanie modeli opisujących narodziny struktury Wszechświata.

Nowe możliwości dla fizyki wysokich energii

Odkrycie, że do uzyskania sygnałów charakterystycznych dla QGP mogą wystarczyć lżejsze jądra, otwiera przed fizykami nowe możliwości.

Mniejsze układy są prostsze do analizowania i pozwalają badać zjawiska, które w przypadku ciężkich jąder mogą być trudniejsze do rozdzielenia od innych efektów.

Co więcej, eksperyment pokazuje, że kształt jądra może mieć bezpośredni wpływ na obserwowane produkty zderzenia. Dzięki temu Wielki Zderzacz Hadronów staje się nie tylko narzędziem do badania cząstek elementarnych, lecz także swoistym mikroskopem pozwalającym zaglądać do wnętrza jąder atomowych.

Podsumowanie

Naukowcy pracujący przy eksperymencie ALICE w CERN uzyskali nowe oznaki powstawania plazmy kwarkowo-gluonowej podczas zderzeń lekkich jąder, wykorzystując tlen-16 i neon-20. To szczególnie ważne, ponieważ wcześniej sądzono, że do stworzenia tego ekstremalnego stanu materii potrzebne są przede wszystkim znacznie cięższe jądra.

Eksperyment pozwolił jednocześnie badać właściwości wczesnego Wszechświata oraz strukturę jąder atomowych. Charakterystyczny rozkład cząstek powstających po zderzeniu dostarczył informacji o kształcie jąder, w tym nietypowej geometrii jądra neonu-20.

Planowane eksperymenty z jeszcze lżejszymi jądrami, w tym helem, mogą pomóc ustalić, gdzie znajduje się granica powstawania plazmy kwarkowo-gluonowej. Być może dzięki takim doświadczeniom fizycy będą mogli jeszcze dokładniej odtworzyć warunki panujące w pierwszych mikrosekundach istnienia Wszechświata.