Φωτίζεται η γέννηση και διαστολή του Κόσμου.
Ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου Rice στις ΗΠΑ έκανε μια σημαντική ανακάλυψη μετρώντας τη θερμοκρασία του πλάσματος κουάρκ-γλουονίων (QGP) σε διάφορα στάδια της εξέλιξής του. Αυτή η εξωτική μορφή ύλης πιστεύεται ότι γέμιζε το Σύμπαν εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το μυστηριώδες φαινόμενο από το οποίο προέκυψε το Σύμπαν.
Η έρευνα που δημοσιεύτηκε στην επιθεώρηση «Nature Communications» ρίχνει νέο φως στη συμπεριφορά του πρώιμου Σύμπαντος υπό συνθήκες ακραίας θερμότητας και πυκνότητας. Τα ευρήματά τους που δείχνουν θερμοκρασίες μεταξύ 2 και 3 τρισεκατομμυρίων βαθμών Κελσίου προσφέρουν την πιο ακριβή εικόνα μέχρι σήμερα για το πώς το πρώιμο Σύμπαν εξελίχθηκε από καθαρή ενέργεια σε ύλη.
Τα κουάρκ και τα γλουόνια είναι τα θεμελιώδη σωματίδια που συνθέτουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια, ενώ τα γλουόνια είναι φορείς της ισχυρής πυρηνικής δύναμης που τα συνδέει. Σε ακραίες συνθήκες, όπως αυτές που επικρατούσαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη ή σε συγκρούσεις βαρέων ιόντων αυτά τα σωματίδια μπορούν να απελευθερωθούν και να δημιουργήσουν μια κατάσταση γνωστή ως πλάσμα κουάρκ-γλουονίων, όπου κινούνται ελεύθερα.
· Κουάρκ: Είναι θεμελιώδη σωματίδια ύλης που συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν σύνθετα σωματίδια, όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια.
· Γλουόνια: Είναι τα σωματίδια-φορείς της ισχυρής πυρηνικής δύναμης. Δρουν ως «κόλλα» που συγκρατεί τα κουάρκ μαζί.
· Πλάσμα κουάρκ-γλουονίων: Πρόκειται για μια κατάσταση ύλης όπου τα κουάρκ και τα γλουόνια δεν είναι «φυλακισμένα» εντός των πρωτονίων και των νετρονίων, αλλά υπάρχουν ελεύθερα σε μια «σούπα». Δημιουργείται όταν υπάρχει τεράστια ενέργεια όπως στην αρχή του Σύμπαντος ή σε πειράματα υψηλής ενέργειας.
Μέτρηση της πρωταρχικής πύρινης σφαίρας
Για δεκαετίες, οι επιστήμονες προσπαθούσαν να βρουν αξιόπιστους τρόπους μέτρησης θερμοκρασιών σε τόσο ακραία περιβάλλοντα που κανένα όργανο δεν θα μπορούσε να επιβιώσει. Οι ερευνητές έλυσαν αυτό το πρόβλημα μελετώντας θερμικά ζεύγη ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου που δημιουργούνται κατά τη διάρκεια συγκρούσεων βαρέων ιόντων υψηλής ταχύτητας στον επιταχυντή βαρέων ιόντων Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven στη Νέα Υόρκη. Αυτές οι εκπομπές αποκάλυψαν την εσωτερική θερμοκρασία του πλάσματος καθώς σχηματιζόταν και ψυχόταν.
Παλαιότερες προσπάθειες μέτρησης της θερμοκρασίας ήταν συχνά αβέβαιες, επηρεασμένες από το αν αντανακλούσαν όντως τη φάση του QGP ή αλλοιώνονταν από φαινόμενα τύπου Doppler που προκαλούνταν από την ταχύτατη κίνηση του πλάσματος.
«Οι μετρήσεις μας ξεκλειδώνουν το θερμικό αποτύπωμα του QGP. Η παρακολούθηση των εκπομπών διλεπτονίων μάς επέτρεψε να προσδιορίσουμε πόσο θερμό ήταν το πλάσμα και πότε άρχισε να ψύχεται, προσφέροντας μια άμεση εικόνα των συνθηκών που επικρατούσαν μικροδευτερόλεπτα μετά τη γέννηση του Σύμπαντος» αναφέρει ο Γρανκ Γκιούρτς, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας.
Ένα νέο θερμικό παράθυρο στην πυρηνική ύλη
Το πλάσμα κουάρκ-γλουονίων είναι μια μοναδική κατάσταση όπου τα κουάρκ και τα γλουόνια — τα δομικά στοιχεία των πρωτονίων και νετρονίων — υπάρχουν ελεύθερα, χωρίς να είναι δεσμευμένα μέσα σε σωματίδια. Οι ιδιότητές του εξαρτώνται έντονα από τη θερμοκρασία, αλλά οι προηγούμενες μέθοδοι στερούνταν ανάλυσης και ακρίβειας για να εξερευνήσουν το εσωτερικό του χωρίς παρεμβολές από τη βίαιη διαστολή του.
Επειδή το QGP μπορεί να φτάσει σε θερμοκρασίες τρισεκατομμυρίων Kelvin, οι ερευνητές χρειάζονταν μια μη επεμβατική μέθοδο ικανή να καταγράψει ακριβείς, σε πραγματικό χρόνο, μετρήσεις. «Τα θερμικά ζεύγη λεπτονίων, δηλαδή οι εκπομπές ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου που παράγονται καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής του QGP, αποδείχθηκαν ιδανικοί υποψήφιοι», είπε ο Geurts. «Σε αντίθεση με τα κουάρκ, που αλληλεπιδρούν με το πλάσμα, αυτά τα λεπτόνια το διαπερνούν σχεδόν αδιατάρακτα, μεταφέροντας ανεπηρέαστες πληροφορίες για το περιβάλλον τους».
Η ανίχνευση αυτών των εξαιρετικά αδύναμων σημάτων ανάμεσα σε αναρίθμητα άλλα σωματίδια απαίτησε εξαιρετική ευαισθησία και προσεκτική βαθμονόμηση δεδομένων.
Πειραματική ανακάλυψη στο RHIC
Για να το επιτύχουν αυτό, η ομάδα βελτίωσε τα συστήματα ανίχνευσης του RHIC, προσαρμόζοντάς τα ώστε να εντοπίζουν ζεύγη λεπτονίων χαμηλής ορμής, ενώ ταυτόχρονα φιλτράρουν τον θόρυβο του υποβάθρου. Στη συνέχεια, δοκίμασαν την ιδέα ότι η κατανομή ενέργειας αυτών των ζευγών μπορεί να αντικατοπτρίζει άμεσα τη θερμοκρασία του πλάσματος.
Η μέθοδος αυτή, γνωστή θεωρητικά ως «διεισδυτικό θερμόμετρο», συνδυάζει δεδομένα εκπομπών που συλλέγονται καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής του πλάσματος για να σχηματίσει ένα μέσο θερμικό προφίλ. Παρά τις προκλήσεις από περιορισμένα στατιστικά δεδομένα και περίπλοκες παρεμβολές υποβάθρου, οι ερευνητές κατάφεραν να πετύχουν μία από τις πιο ακριβείς θερμικές μετρήσεις του QGP μέχρι σήμερα.
Χαρτογράφηση του θερμοκρασιακού προφίλ του πλάσματος
Η μελέτη αποκάλυψε δύο διακριτές μέσες θερμοκρασίες ανάλογα με τη μάζα των ζευγών διηλεκτρονίων:
· περίπου 2,01 τρισεκατομμύρια βαθμοί Κελσίου στην περιοχή χαμηλής μάζας, όπως προβλέπεται από θεωρητικά μοντέλα και συνάδει με τις θερμοκρασίες «πάγωσης» από αδρονικές ανιχνεύσεις
· περίπου 3,25 τρισεκατομμύρια Κελσίου στην περιοχή υψηλότερης μάζας.
Η διαφορά αυτή δείχνει ότι η θερμική ακτινοβολία από την περιοχή χαμηλής μάζας εκπέμπεται κυρίως αργότερα, κοντά στη φάση μετάβασης, ενώ εκείνη από την υψηλότερη μάζα προέρχεται από το πρώιμο, πιο θερμό στάδιο της εξέλιξης του QGP. «Η εργασία αυτή καταγράφει μέσες θερμοκρασίες του QGP σε δύο διακριτά στάδια εξέλιξης και πολλαπλά βαρυονικά χημικά δυναμικά, σηματοδοτώντας ένα σημαντικό βήμα στην αποτύπωση των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων του QGP» αναφέρει ο Γκιούρτς.
Επιπτώσεις για το πρώιμο Σύμπαν
Με τη μέτρηση της θερμοκρασίας του QGP σε διαφορετικά στάδια εξέλιξής του, οι επιστήμονες αποκτούν κρίσιμα πειραματικά δεδομένα για την ολοκλήρωση του «διαγράμματος φάσεων της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής (QCD)», το οποίο είναι ουσιαστικό για την κατανόηση της συμπεριφοράς της θεμελιώδους ύλης υπό ακραία θερμότητα και πυκνότητα συνθήκες όμοιες με εκείνες που επικρατούσαν στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και σε φαινόμενα όπως τα αστέρια νετρονίων.
«Με αυτόν τον θερμικό χάρτη, οι ερευνητές μπορούν τώρα να βελτιώσουν την κατανόησή τους για τη διάρκεια ζωής του QGP και τις ιδιότητες μεταφοράς του, βελτιώνοντας έτσι τη γνώση μας για το πρώιμο Σύμπαν. Αυτό το επίτευγμα αντιπροσωπεύει κάτι περισσότερο από μια μέτρηση· σηματοδοτεί μια νέα εποχή στην εξερεύνηση των πιο ακραίων ορίων της ύλης» εξηγεί ο Γκιούρτς.
