Νέα στοιχεία για το πώς… μαγειρεύτηκαν τα πρώτα σωματίδια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Χρησιμοποιώντας τον ισχυρότερο επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο, τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN, επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η ύλη που έκανε την εμφάνιση της ελάχιστα εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και ονομάστηκε «σούπα» συμπεριφερόταν πράγματι ως υγρό και είχε θερμοκρασία εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου ήταν δηλαδή κυριολεκτικά μια κοσμική σούπα.
Αυτή η πρωταρχική σούπα αποτελείτο από ένα πλάσμα σωματιδίων που ονομάζονται κουάρκ και γκλουόνια, τα οποία ψύχθηκαν πολύ γρήγορα, με αποτέλεσμα να συγχωνευτούν και να δημιουργήσουν τα θεμελιώδη σωματίδια όπως πρωτόνια και νετρόνια. Σήμερα, τα κουάρκ και τα γκλουόνια εντοπίζονται μόνο μέσα σε αυτά τα σωματίδια, με μία εξαίρεση. Όταν βαριά άτομα μολύβδου συγκρούονται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός μέσα στον LHC δημιουργείται ένα περιβάλλον υψηλής ενέργειας που απελευθερώνει προσωρινά τα κουάρκ και τα γκλουόνια, αναπαράγοντας το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων του πρώιμου Σύμπαντος.
Χρησιμοποιώντας τον επιταχυντή μήκους 27 χιλιομέτρων κοντά στη Γενεύη μια ομάδα ερευνητών από το MIT δημιούργησε πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων. Μέσα σε αυτή την «προσομοιωμένη πρωταρχική σούπα»,παρατήρησαν ότι τα κουάρκ δημιουργούν «αφυπνίσεις» καθώς περνούν μέσα από το πλάσμα όπως ακριβώς ένα πλοίο αφήνει πίσω του κυματισμούς στο νερό.
Αυτή είναι η πρώτη ένδειξη ότι το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων αντιδρά σε κινούμενα σωματίδια όπως ένα υγρό εκτινάσσοντας σταγονίδια και κυματισμούς και όχι ως τυχαία διασκορπισμένα σωματίδια. Η συνοχή αυτή δείχνει ότι δεν πρόκειται απλώς για ρευστό, αλλά για ένα κυριολεκτικό υγρό. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτό το εύρημα μπορεί να επιλύσει μακροχρόνια ερωτήματα σχετικά με τη σύσταση της ύλης στο νεογέννητο σύμπαν.
«Υπήρχε μεγάλη συζήτηση στο πεδίο μας για το αν το πλάσμα ανταποκρίνεται σε ένα κουάρκ. Τώρα βλέπουμε ότι το πλάσμα είναι απίστευτα πυκνό, ικανό να επιβραδύνει ένα κουάρκ και να παράγει πιτσιλιές και στροβιλισμούς όπως ένα υγρό. Το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων είναι πράγματι μια πρωταρχική σούπα» εξηγεί ο Γιεν-Τζιε Λι καθηγητής φυσικής στο MIT, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας.
Η μελέτη
Για να παρατηρήσουν αυτές τις «αφυπνίσεις» οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τον ανιχνευτή Compact Muon Solenoid (CMS) του LHC και ανέπτυξαν μια τεχνική που τους επέτρεψε να μετρούν το μέγεθος, την ταχύτητα και την εξάπλωση αυτών των κυματισμών, καθώς και τον χρόνο που χρειάζονται για να διαλυθούν. Αυτές οι μετρήσεις είναι καθοριστικές για την καλύτερη κατανόηση των ιδιοτήτων του πλάσματος κουάρκ-γκλουονίων και του τρόπου που συμπεριφερόταν στα πρώτα μικροδευτερόλεπτα του Σύμπαντος.
Το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων δεν ήταν μόνο το πρώτο υγρό που υπήρξε ποτέ αλλά με θερμοκρασία τρισεκατομμυρίων βαθμών είναι επίσης το πιο καυτό υγρό που έχει υπάρξει. Θεωρείται σχεδόν τέλειο υγρό όπου τα κουάρκ και τα γκλουόνια ρέουν ομαλά και χωρίς τριβή. Μία θεωρία γνωστή ως «υβριδικό μοντέλο» υποστηρίζει ότι αυτή η πρωταρχική σούπα θα πρέπει να αντιδρά όπως κάθε άλλο υγρό όταν τα σωματίδια τη διασχίζουν με ταχύτητα. Δηλαδή, ένα ρεύμα κουάρκ που περνά μέσα από το πλάσμα θα πρέπει να δημιουργεί κυματισμούς και πιτσιλιές.
Πολλά πειράματα στον LHC και σε άλλους επιταχυντές έχουν προσπαθήσει να εντοπίσουν αυτό το φαινόμενο συγκρούοντας βαριά ιόντα σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός, δημιουργώντας για ένα απειροελάχιστο χρονικό διάστημα μια σταγόνα της πρωταρχικής σούπας.
Κατά την προσπάθειά τους να εντοπίσουν τις «αφυπνίσεις», οι επιστήμονες αναζήτησαν ζεύγη κουάρκ και αντικουάρκ, που κινούνται αντίθετα. Ωστόσο, όπως εξήγησε ο Λι το ένα κουάρκ τείνει να καλύπτει το ίχνος του άλλου, δυσκολεύοντας τον εντοπισμό.
Η τεχνική
Για να το ξεπεράσουν οι ερευνητές υιοθέτησαν μια νέα τεχνική: αναζήτησαν κουάρκ που κινούνται μαζί με ένα ουδέτερο σωματίδιο, το μποζόνιο Z, το οποίο έχει ελάχιστη αλληλεπίδραση με το περιβάλλον του. Το πλεονέκτημα είναι ότι τα μποζόνια Z έχουν σαφώς καθορισμένη ενέργεια και μπορούν να ανιχνευθούν εύκολα.
«Μερικές φορές είμαστε τυχεροί και μία σύγκρουση δημιουργεί ταυτόχρονα ένα μποζόνιο Z και ένα κουάρκ με μεγάλη ορμή. Αυτά κινούνται αντίθετα: το κουάρκ αφήνει πίσω του κυματισμούς ενώ το μποζόνιο όχι» λένε οι ερευνητές.
Μετά από 13 δισεκατομμύρια συγκρούσεις στον LHC, η ομάδα εντόπισε περίπου 2,000 περιπτώσεις στις οποίες δημιουργήθηκε μποζόνιο Z. Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι επιστήμονες παρατήρησαν σταθερά ένα μοτίβο ρευστής κίνησης προς την αντίθετη κατεύθυνση, το οποίο ταίριαζε με τις θεωρητικές προβλέψεις του υβριδικού μοντέλου.
«Για πρώτη φορά έχουμε άμεση απόδειξη ότι το κουάρκ όντως παρασύρει μαζί του περισσότερο πλάσμα καθώς κινείται. Αυτό θα μας επιτρέψει να μελετήσουμε τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά αυτού του εξωτικού ρευστού με πρωτοφανή λεπτομέρεια» κατέληξε ο Λι.
