Timp de decenii, fizicienii au crezut că materia din primele clipe ale Universului, de peste 100.000 de ori mai fierbinte decât centrul Soarelui, poate fi recreată doar prin ciocniri între nuclee atomice foarte grele, mai ales de plumb. La un an după primele ciocniri cu oxigen din istoria Marelui Accelerator de Hadroni (LHC), această convingere se clatină tot mai serios.
Toate cele patru mari colaborări de cercetare ale acceleratorului de particule – ALICE, ATLAS, CMS și LHCb – au raportat semne că forma primordială de materie numită plasmă de quarci și gluoni poate apărea și atunci când se ciocnesc nuclee de oxigen și de neon. Rezultatele pun sub semnul întrebării o ipoteză veche despre forțele uriașe necesare pentru a crea o substanță atât de extremă și deschid o nouă cale de a cerceta condițiile din primele momente ale Universului.
Când protonii și neutronii se destramă
Plasma de quarci și gluoni (QGP) este o stare neobișnuită a materiei, care apare la presiuni și temperaturi extreme. La asemenea temperaturi, particule precum protonii și neutronii nu își mai pot păstra structura obișnuită și se descompun în quarci și în gluonii care, în mod normal, îi țin legați.
Fizicienii consideră că, în primele milionimi de secundă după Big Bang, întreaga materie din Univers se afla în această stare. Aproape 14 miliarde de ani mai târziu, cercetătorii pot reface pentru scurt timp aceste condiții extraordinare ciocnind nuclee atomice la energii extrem de mari în interiorul LHC.
Nucleele de plumb sunt de peste 200 de ori mai grele decât protonii folosiți de obicei în experimentele de la LHC, așa că pot produce condițiile intense considerate necesare pentru formarea plasmei.
Descoperirile recente au pus însă tot mai des sub semnul întrebării această ipoteză. La începutul acestui an, colaborarea ALICE, specializată în studiul plasmei de quarci și gluoni, a identificat un alt indiciu al formării QGP în ciocnirile proton–proton și proton–plumb. Anul trecut, cercetătorii de la LHC raportaseră deja primele indicii ale apariției plasmei în ciocnirile oxigen–oxigen.
Acum, analize mai detaliate au scos la iveală mai multe semne că QGP se poate forma atât în ciocnirile dintre nuclee de oxigen, cât și în cele dintre nuclee de neon. Dovezile că plasma primordială nu are nevoie neapărat de ciocniri între nuclee grele devin astfel mai solide.
Jeturi care pierd energie pe drum
Unul dintre cele mai clare semne ale QGP apare atunci când quarci și gluoni foarte energetici o traversează. Pe măsură ce înaintează prin materialul extrem de fierbinte și dens, aceste particule pierd o parte din energie. Fizicienii numesc procesul „pierderea de energie a partonilor“ și îl consideră un indiciu important că s-a format QGP.
ATLAS a detectat clar acest efect studiind perechile de jeturi de particule produse în ciocnirile oxigen–oxigen și neon–neon. Jeturile sunt fluxuri concentrate de particule, care apar când quarcii și gluonii energetici ies dintr-o ciocnire. Cercetătorii au observat diferențe de energie între jeturile din aceeași pereche, semn că unele particule pierduseră energie în timp ce străbăteau materialul din jur.
Efectul a fost deosebit de pronunțat în ciocnirile mai directe, frontale (numite centrale). Astfel de ciocniri ar trebui să creeze un volum mai mare de plasmă, ceea ce le dă particulelor mai mult material de traversat și duce la o pierdere mai mare de energie.
Rezultatele preliminare ale experimentului ATLAS susțin și ele această interpretare. Analizând particulele încărcate care pleacă în sens opus fotonilor, cercetătorii au găsit o relație asemănătoare între pierderea de energie și gradul de centralitate al ciocnirii dintre nuclee.
ALICE, CMS și LHCb găsesc același tipar
Celelalte trei colaborări au căutat același proces de bază, dar pe altă cale. În loc să se uite în primul rând la energia jeturilor, au urmărit felul în care plasma pare să reducă producția anumitor particule energetice.
CMS a constatat că producția de particule încărcate a fost suprimată atât în ciocnirile oxigen–oxigen, cât și în cele neon–neon, comparativ cu ciocnirile proton–proton. Reducerea se potrivește cu pierderea de energie a particulelor în interiorul plasmei de quarci și gluoni și aduce noi dovezi că această materie exotică se poate forma și în ciocniri dintre nuclee mai ușoare.
Într-un studiu separat, LHCb a raportat un alt indiciu important. Colaborarea a analizat particulele care conțin un quarc charm și un quarc mai ușor și a comparat cât de puternic le-a fost suprimată producția în ciocnirile de oxigen și în cele de neon. Suprimarea a fost mai accentuată în ciocnirile de neon, care sunt mai intense. Este exact comportamentul la care s-ar aștepta fizicienii dacă ciocnirile mai mari ar produce volume mai mari de plasmă, iar particulele ar pierde mai multă energie traversând-o.
O producție redusă de particule nu dovedește însă neapărat că de vină e pierderea de energie. Și alte procese fizice ar putea, în principiu, produce efecte asemănătoare.
Ca să verifice această posibilitate, ALICE a comparat producția de pioni neutri, un alt tip de particule subatomice, în ciocnirile oxigen–oxigen și proton–oxigen. Comparația a oferit dovezi neechivoce ale pierderii de energie a partonilor în ciocnirile oxigen–oxigen și a întărit ipoteza că și ciocnirile nucleare relativ mici pot genera condiții asociate cu plasma de quarci și gluoni.
Perechi de quarci care rezistă diferit în plasmă
Cercetătorii au căutat și o altă semnătură caracteristică a QGP, legată de particulele formate dintr-un quarc greu și din antiquarcul său corespunzător.
Astfel de perechi se pot lega temporar în urma ciocnirilor de mare energie. Unele sunt legate mai strâns decât altele, așa că plasma din jur le perturbă în măsură diferită. Urmărind care dintre aceste stări legate sunt suprimate și cât de mult, fizicienii pot aduna noi dovezi despre prezența QGP.
La particulele numite mezoni upsilon, formate dintr-un quarc bottom împerecheat cu antiquarcul său, CMS a găsit dovezi ale acestei suprimări diferențiate. Efectul a apărut la compararea ciocnirilor oxigen–oxigen cu cele neon–neon. LHCb a raportat la rândul ei dovezi preliminare ale unui comportament asemănător, folosind de această dată date din ciocnirile proton–oxigen și oxigen–oxigen.
Luate împreună, aceste observații se adaugă dovezilor tot mai numeroase că plasma primordială poate apărea în ciocniri nucleare mult mai mici decât cele folosite în mod tradițional pentru a o studia.
Trei quarci contra doi: un tipar neașteptat
ALICE a identificat și o altă posibilă semnătură a plasmei de quarci și gluoni, legată de direcțiile în care se deplasează particulele după ciocnire.
Cercetătorii au observat, în concluzii preliminare, că în ciocnirile oxigen–oxigen particulele formate din trei quarci (barionii) au arătat o preferință mai puternică pentru anumite direcții decât cele formate din doi quarci (mezonii).
Fenomenul se numește flux anizotrop. În loc să se împrăștie uniform în toate direcțiile, particulele se distribuie după tipare influențate de condițiile din interiorul materialului creat în ciocnire.
Explicația principală ține de formarea QGP. Când particulele cu impuls intermediar ies din plasmă, ele pot moșteni mișcarea colectivă a quarcilor din care sunt alcătuite. Cum barionii conțin trei quarci, iar mezonii doar doi, barionii pot prelua o parte mai mare din acest flux, de unde și diferența observată în experiment. Tiparul e un alt posibil indiciu că materia extremă a Universului timpuriu este recreată în ciocnirile de oxigen.
O nouă cale spre primele clipe ale Universului
Fizicienii continuă să analizeze datele din ciocnirile cu nuclee atomice mai ușoare, în căutarea altor dovezi despre modul în care se formează și se comportă plasma de quarci și gluoni.
Rezultatele schimbă înțelegerea condițiilor necesare pentru a produce una dintre cele mai extreme stări ale materiei cunoscute în fizică. Materia din primele clipe ale Universului nu mai pare rezervată ciocnirilor dintre nuclee masive, precum cele de plumb: ea poate fi studiată acum și cu sisteme mult mai mici. Pentru cercetători, asta înseamnă noi ocazii de a observa cum se comportă materia în condiții extraordinare și, cu fiecare descoperire, o imagine mai clară a stării care a dominat Universul în primele momente de după Big Bang.
Între timp, CERN transformă Marele Accelerator de Hadroni într-o versiune mai puternică, LHC de înaltă luminozitate. Acceleratorul modernizat le va permite cercetătorilor să adune mult mai multe date despre ciocniri și să studieze în detaliu proprietățile plasmei de quarci și gluoni.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Ce se întâmplă cu tensiunea arterială atunci când iei vitamina D
Ce se întâmplă cu tensiunea arterială atunci când consumi pâine cu maia?
Care este cea mai bună oră de culcare pentru o tensiune arterială mai mică, conform specialiștilor
Unde dispare grăsimea atunci când slăbim? Răspunsul e mai surprinzător decât pare la prima vedere
