Prvobitni svemir je bio juha

U svojim prvim trenucima, novonastali svemir bio je juha kvarkova i gluona vruća bilijun stupnjeva. Ove elementarne čestice kružile su brzinom svjetlosti, stvarajući „kvark-gluonsku plazmu“ koja je trajala samo nekoliko milijuntih dijelova sekunde. Primordijalna masa se zatim brzo ohladila, a njezini pojedinačni kvarkovi i gluoni su se spojili i formirali protone, neutrone i druge fundamentalne čestice koje danas postoje.

Fizičari u CERN-ovom Velikom hadronskom sudaraču u Švicarskoj rekreiraju kvark-gluonsku plazmu (QGP) kako bi bolje razumjeli početne sastojke svemira. Sudaranjem teških iona pri brzinama bliskim brzinama svjetlosti, znanstvenici mogu nakratko ukloniti kvarkove i gluone kako bi stvorili i proučavali isti materijal koji je postojao tijekom prvih mikrosekundi ranog svemira.

Sada je tim u CERN-u, predvođen fizičarima s američkog tehnološkog instituta MIT, uočio jasne znakove da kvarkovi stvaraju tragove dok se kreću kroz plazmu, slično kao što patka ostavlja valove kroz vodu. Ovi nalazi prvi su izravan dokaz da kvark-gluonska plazma reagira na čestice koje se kreću brzo kao jedinstvena tekućina, prskajući i zalijevajući se kao odgovor, umjesto da se nasumično raspršuje poput pojedinačnih čestica.

„U našem području dugo se raspravljalo o tome treba li plazma reagirati na kvark“, kaže Yen-Jie Lee, profesor fizike na MIT-u. „Sada vidimo da je plazma nevjerojatno gusta, takva da može usporiti kvark i proizvodi prskanje i vrtloge poput tekućine. Dakle, kvark-gluonska plazma je zaista primordijalna juha.“

Kako bi vidjeli učinke kvarkovog traga, Lee i njegovi kolege razvili su novu tehniku ​​o kojoj izvještavaju u studiji objavljenoj u časopisu ScienceDirect.

Planiraju primijeniti taj pristup na više podataka o sudarima čestica kako bi se usredotočili na druge kvarkove tragove. Mjerenje veličine, brzine i opsega tih tragova, te koliko je vremena potrebno da se smanje i rasprše, može znanstvenicima dati ideju o svojstvima same plazme i kako se kvark-gluonska plazma mogla ponašati u prvim mikrosekundama svemira.

„Proučavanje načina na koji se kvarkovi tragovi odbijaju naprijed-natrag dat će nam nove uvide u svojstva kvark-gluonske plazme“, kaže Lee. „Ovim eksperimentom snimamo snimku ove primordijalne kvarkove juhe.“

Koautori studije su članovi CMS kolaboracije, tima fizičara čestica iz cijelog svijeta koji zajedno rade na provođenju i analizi podataka iz eksperimenta Compact Muon Solenoid (CMS), koji je jedan od detektora čestica opće namjene u CERN-ovom Velikom hadronskom sudaraču. CMS eksperiment je korišten za otkrivanje znakova učinaka kvarkovog traga za ovu studiju. 

Kvark-gluonska plazma je prva tekućina koja je ikada postojala u svemiru. Također je najtoplija tekućina ikad, jer znanstvenici procjenjuju da je tijekom svog kratkog postojanja QGP bio na temperaturi od oko nekoliko bilijuna stupnjeva Celzija. Smatra se da je i ovaj kipući gulaš bio gotovo "savršena" tekućina, što znači da su pojedinačni kvarkovi i gluoni u plazmi tekli zajedno kao glatka tekućina bez trenja.

Jedan takav model, koji je izveo Krishna Rajagopal, profesor fizike na MIT-u, i njegovi suradnici, predviđa da bi kvark-gluonska plazma trebala reagirati poput tekućine na bilo koje čestice koje jure kroz nju. Njegova teorija, poznata kao hibridni model, sugerira da kada mlaz kvarkova juri kroz QGP, trebao bi stvoriti trag iza sebe, uzrokujući mreškanje i prskanje plazme kao odgovor.

Fizičari su tražili takve efekte tragova u eksperimentima na Velikom hadronskom sudaraču i drugim akceleratorima čestica visoke energije. Ovi eksperimenti ubrzavaju teške ione poput olova do brzine bliske brzini svjetlosti, u kojem trenutku se mogu sudariti i stvoriti kratkotrajnu kapljicu primordijalne juhe, koja obično traje manje od kvadrilijuntinog dijela sekunde. Znanstvenici u biti snimaju trenutak kako bi pokušali identificirati karakteristike QGP-a.

Kako bi identificirali kvarkove tragove, fizičari su tražili parove kvarkova i "antikvarkova", čestica koje su identične svojim kvarkovskim pandanima, osim što su određena svojstva jednake veličine, ali suprotnog predznaka. Na primjer, kada kvark juri kroz plazmu, vjerojatno postoji antikvark koji putuje potpuno istom brzinom, ali u suprotnom smjeru.

Zbog toga su fizičari tražili parove kvark/antikvark u QGP-u nastalom u sudarima teških iona, pretpostavljajući da čestice mogu proizvesti identične, detektabilne tragove kroz plazmu.

„Kada se proizvedu dva kvarka, problem je u tome što, kada dva kvarka idu u suprotnim smjerovima, jedan kvark zasjenjuje trag drugog kvarka“, kaže Lee.

On i njegovi kolege shvatili su da bi potraga za tragom prvog kvarka bila lakša kada ne bi postojao drugi kvark koji bi zaklanjao njegove učinke.

„Otkrili smo novu tehniku ​​koja nam omogućuje da vidimo učinke jednog kvarka u QGP-u, kroz drugačiji par čestica“, kaže Lee.

Umjesto traženja parova kvarkova i antikvarkova nakon sudara iona olova, Leejev tim je tražio događaje s samo jednim kvarkom koji se kreće kroz plazmu, u biti leđa uz „Z bozon“. Z bozon je neutralna, električno slaba elementarna čestica koja praktički nema utjecaja na okolni okoliš. Međutim, budući da postoje na vrlo specifičnoj energiji, Z bozone je relativno lako detektirati.

„U ovoj juhi kvark-gluonske plazme, brojni kvarkovi i gluoni prolaze i sudaraju se jedni s drugima“, objašnjava Lee. „Ponekad, kada imamo sreće, jedan od tih sudara stvori Z bozon i kvark, s visokim momentom.“

U takvom sudaru, dvije čestice bi se trebale udariti i odletjeti u potpuno suprotnim smjerovima. Dok bi kvark mogao ostaviti trag, Z bozon ne bi trebao imati utjecaja na okolnu plazmu. Kakvi god valovi da se uoče u kapljici primordijalne juhe, u potpunosti bi bili uzrokovani jednim kvarkom koji juri kroz nju.

Tim je, u suradnji s grupom profesora Yi Chena na Sveučilištu Vanderbilt, zaključio da bi Z bozone mogli koristiti kao "oznaku" za lociranje i praćenje učinaka talasa pojedinačnih kvarkova. Za svoju novu studiju, istraživači su pregledali podatke iz eksperimenata sudara teških iona u Velikom hadronskom sudaraču.

Iz 13 milijardi sudara identificirali su oko 2000 događaja koji su proizveli Z bozon. Za svaki od ovih događaja mapirali su energije u kratkotrajnoj kvark-gluonskoj plazmi i dosljedno uočili uzorak prskanja u vrtlozima sličan fluidu, učinak valova, u suprotnom smjeru od Z bozona, što je tim mogao izravno pripisati učinku pojedinačnih kvarkova koji jure kroz plazmu.

Štoviše, fizičari su otkrili da su efekti traga koje su uočili u podacima u skladu s onim što predviđa Rajagopalov hibridni model. Drugim riječima, kvark-gluonska plazma doista teče i mreška se poput tekućine kada čestice jure kroz nju.

„Ovo je nešto za što su mnogi od nas tvrdili da mora postojati već dugi niz godina i što su mnogi eksperimenti tražili“, kaže Rajagopal, koji nije bio izravno uključen u novu studiju.

„Yen-Jie i CMS su osmislili i proveli mjerenje koje je njima i nama donijelo prve čiste, jasne i nedvosmislene dokaze za ovaj temeljni fenomen“, kaže n, profesor fizike na Sveučilištu Oviedo u Španjolskoj i Rajagopalov suradnik koji nije bio uključen u trenutnu studiju.

„Dobili smo prvi izravni dokaz da kvark doista vuče više plazme sa sobom dok putuje“, dodaje Lee. „To će nam omogućiti da proučimo svojstva i ponašanje ove egzotične tekućine u dosad neviđenim detaljima.“