Ekstremalna materia w Wielkim Zderzaczu Hadronów
Głęboko pod ziemią, na granicy francusko-szwajcarskiej, w sercu największego na świecie akceleratora cząstek, naukowcy nieustannie odtwarzają warunki panujące we wszechświecie zaledwie mikrosekundy po Wielkim Wybuchu. Właśnie tam, w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), fizycy z eksperymentu ALICE zaobserwowali nowy, nieznany wcześniej rodzaj przepływu w najbardziej ekstremalnej formie materii, jaką znamy – plazmie kwarkowo-gluonowej.
Czym jest plazma kwarkowo-gluonowa?
Plazma kwarkowo-gluonowa (QGP) to stan materii, w którym protony i neutrony – podstawowe składniki jąder atomowych – „topią się”, uwalniając swoje fundamentalne składniki: kwarki i gluony. W normalnych warunkach kwarki są ściśle związane wewnątrz hadronów (takich jak protony i neutrony) przez oddziaływanie silne, przenoszone przez gluony. Zjawisko to nazywamy swobodą asymptotyczną.
„Obserwacja nowego rodzaju przepływu w plazmie kwarkowo-gluonowej to jak odkrycie nowego, fundamentalnego prawa natury dla świata w skali subatomowej. To pokazuje, że nawet po latach badań, ten ekstremalny stan materii wciąż potrafi nas zaskoczyć” – komentują fizycy zaangażowani w analizę.
W plazmie kwarkowo-gluonowej, przy ekstremalnie wysokich temperaturach (tryliony stopni) i gęstościach energii, kwarki i gluony uzyskują pewną swobodę poruszania się w objętości znacznie większej niż pojedynczy hadron. Powstaje rodzaj „gorącej, gęstej zupy” subatomowych składników.
Nowy rodzaj przepływu: co zaobserwowano?
Najnowsze, dogłębne analizy danych z kolizji ciężkich jonów ołowiu w LHC ujawniły nieoczekiwane zachowanie tej plazmy. Naukowcy badali tzw. przepływ eliptyczny i przepływ wirowy cząstek powstających po rozpadzie QGP. Porównując dane z modelami teoretycznymi i symulacjami hydrodynamicznymi, zauważyli sygnaturę dodatkowego, subtelnego wzorca przepływu.
Ten nowy komponent nie jest w pełni opisany przez dotychczasowe modele, które z powodzeniem tłumaczyły ogólne właściwości transportowe plazmy. Sugeruje to, że mikroskopowe oddziaływania między kwarkami i gluonami w tej ekstremalnej fazie mogą być jeszcze bardziej złożone, niż zakładano, lub że ujawniają się efekty kolektywne na jeszcze mniejszej skali.
Znaczenie odkrycia dla fizyki fundamentalnej
- Zrozumienie oddziaływania silnego: QGP jest unikalnym laboratorium do badania oddziaływania silnego – jednej z czterech fundamentalnych sił przyrody – w warunkach, w których jest ono częściowo „osłabione” przez ekstremalną energię.
- Modelowanie wczesnego wszechświata: Stan ten istniał przez ułamki sekundy po Wielkim Wybuchu. Jego badanie pozwala fizykom odtwarzać i testować modele opisujące ewolucję kosmosu w jego najwcześniejszych chwilach.
- Test dla chromodynamiki kwantowej (QCD): Teoria opisująca oddziaływanie silne, QCD, jest niezwykle trudna do obliczenia w obszarze wysokich gęstości energii. Dane eksperymentalne z LHC, takie jak te dotyczące nowego przepływu, stanowią kluczowy test dla zaawansowanych obliczeń numerycznych i modeli teoretycznych.
Odkrycie to nie byłoby możliwe bez niespotykanej precyzji detektora ALICE, który został znacząco zmodernizowany przed ostatnią kampanią zbierania danych, oraz bez zaawansowanych algorytmów analizy big data, zdolnych wyłowić subtelne sygnały z oceanu informacji generowanych w każdej kolizji.
Kolejne kampanie zderzeń ciężkich jonów w LHC, planowane na nadchodzące lata, z pewnością przyniosą jeszcze więcej danych. Fizycy mają nadzieję, że pozwolą one nie tylko potwierdzić i scharakteryzować nowo zaobserwowany rodzaj przepływu, ale także odkryć kolejne, nieznane aspekty zachowania materii w jej najbardziej pierwotnej i ekstremalnej formie.
Foto: www.pexels.com
Leave a Reply