Najpotężniejszy na świecie akcelerator cząstek, Wielki Zderzacz Hadronów, umożliwił naukowcom najlepsze jak dotąd spojrzenie na plazmę kwarkowo-gluonową, pierwotną materię, która wypełniła wszechświat chwilę po Wielkim Wybuchu.
W ciągu pierwszych ułamków sekundy istnienia Wszechświata kosmos wypełniony był gorącą i gęstą pierwotną zupą zwaną plazmą kwarkowo-gluonową. W okrągłym akceleratorze cząstek o długości prawie 27 mil, Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), który znajduje się głęboko pod Alpami Francuskimi, naukowcy z CERN odtworzyli plazmę kwarkowo-gluonową, zderzając jądra atomowe żelaza z prędkością bliską prędkości światła. Projekt nosi nazwę ALICE (eksperyment dużego zderzacza jonów).
Zespół ALICE uzyskał nowe informacje na temat plazmy kwarkowo-gluonowej (a tym samym warunków panujących we wczesnym Wszechświecie), kiedy zauważył wzór typowy dla zderzeń między protony — cząstki znajdujące się w sercu atomów — zderzenia protonów z jądrami ołowiu oraz zderzenia między samymi jądrami ołowiu. Ten wzór może ujawnić, w jaki sposób plazma kwarkowo-gluonowa utworzyła się zaraz po Wielki Wybuchco wskazuje, że może powstać w wyniku zderzeń mniejszych cząstek, niż wcześniej sądzono.
Kiedy naukowcy po raz pierwszy zaczęli rozbijać protony w LHC, wysunięto teorię, że zderzenia między protonami, a także między protonami i ołowiem będą zbyt małe, aby wygenerować plazmę kwarkowo-gluonową. Jednak ostatnio w tych małych zderzeniach, a także w zderzeniach pomiędzy jądrami ołowiu zaobserwowano kuszące oznaki tej pierwotnej materii.
Jedną z cech charakterystycznych plazmy kwarkowo-gluonowej i jej powstawania jest fakt, że cząstki nie są emitowane równomiernie, ale w preferowanym kierunku, który naukowcy nazywają przepływem anizotropowym. Przy prędkościach pośrednich anizotropowy przepływ cząstek zależy od liczby tworzących je kwarków. Bariony, cząstki złożone z trzech kwarków, wykazują silniejszy przepływ niż mezony, które są cząstkami złożonymi z dwóch kwarków.
Naukowcy przypuszczają, że jest to powiązane z procesem, w wyniku którego kwarki łączą się, tworząc większe cząstki. Bariony mają więcej kwarków i dzięki temu uzyskują większy przepływ.
W nowych badaniach w ramach współpracy ALICE wyjaśniono, w jaki sposób zmierzono anizotropowy przepływ różnych mezonów i barionów powstałych w wyniku zderzeń proton-proton i proton-ołów. Izolując przepływające razem cząstki, zespół potwierdził, że podobnie jak w przypadku ciężkich zderzeń, w przypadku lżejszych zderzeń powstają bariony o większym przepływie i mezony o słabszym przepływie przy średnich prędkościach.
„Po raz pierwszy zaobserwowaliśmy, dla dużego odstępu pędu i dla wielu gatunków, ten wzór przepływu w podzbiorze zderzeń protonów, w wyniku których powstaje niezwykle duża liczba cząstek” – David Dobrigkeit Chinellato, koordynator ds. fizyki w eksperymencie ALICE, – napisano w oświadczeniu. „Nasze wyniki potwierdzają hipotezę, że rozszerzający się układ kwarków występuje nawet wtedy, gdy rozmiar układu zderzenia jest niewielki”.
Zespół ALICE porównał dokonane obserwacje przepływu z modelami powstawania plazmy kwarkowo-gluonowej i stwierdził, że wzór przepływu jest ściśle dopasowany do modeli odpowiadających za powstawanie barionów i mezonów. Modele, które nie uwzględniają koalescencji kwarków, nie zdołały jednak odtworzyć obserwowanego wzorca przepływu.
Naukowcy odkryli również, że nawet najlepiej dopasowane modele nie są w stanie w pełni wyjaśnić obserwowanego przepływu. Nadal istnieją pewne utrzymujące się rozbieżności i zmarszczki, które zdaniem zespołu mogą pomóc w usunięciu innych zderzeń cząstek o rozmiarach odpowiadających protonom i żelazu.
„Oczekujemy, że dzięki zderzeniom tlenu zarejestrowanym w 2025 r., które wypełnią lukę między zderzeniami protonów i zderzeniami ołowiu, zyskamy nowy wgląd w naturę i ewolucję plazmy kwarkowo-gluonowej w różnych układach zderzeń” – powiedział w oświadczeniu rzecznik ALICE Kai Schweda.
Następnie naukowcy jeszcze bardziej zbliżą się do zrozumienia warunków panujących u zarania istnienia wszechświata.
Artykuł o tych badaniach był opublikowany 20 marca w czasopiśmie Nature Communications,
