Smugi kwarków w CERN potwierdzają płynną naturę plazmy we wczesnym wszechświecie

6 października naukowcy z Wielkiego Zderzacza Hadronów w Szwajcarii opublikowali bezpośrednie dowody na to, że kwarki generują smugi wewnątrz plazmy kwarkowo-gluonowej. Wyniki, rozpowszechnione przez ScienceDaily, wskazują, że prymitywna materia jest wystarczająco gęsta, by spowalniać szybkie kwarki i reagować zbiorczo jak płyn. To odkrycie rozstrzyga długotrwały spór o stan fizyczny najwcześniejszej materii kosmicznej. Dostarcza pierwszy bezpośredni dowód, że zachowuje się ona jak spójna ciecz, a nie rozproszony gaz. Wpływ na kosmologię jest znaczący, ponieważ pozwala fizykom modelować zachowanie pierwszych mikrosekund wszechświata z większą precyzją niż kiedykolwiek wcześniej.

Yen-Jie Lee, profesor fizyki z MIT w zespole CERN, nazwał ten wynik rozstrzygnięciem długiej debaty. „To był długi spór w naszej dziedzinie, czy plazma powinna reagować na kwark” – powiedział Lee. „Teraz widzimy, że plazma jest niesamowicie gęsta, potrafi spowolnić kwark i wytworzyć pryski i wiry jak ciecz. Zatem plazma kwarkowo-gluonowa naprawdę jest prymitywną zupą”.

W eksperymencie zderzano ciężkie jony z prędkością bliską prędkości światła, aby odtworzyć najwcześniejsze momenty istnienia wszechświata. W ciągu tych mikrosekund temperatury sięgały bilionów stopni, tworząc plazmę kwarkowo-gluonową. Ten stan szybko się ochładzał, pozwalając kwarkom i gluonom wiązać się w protony, neutrony i inne zwykłe cząstki. Proces ten odzwierciedla warunki panujące tuż po Wielkim Wybuchu, gdy wszechświat był zbyt gorący, aby powstały atomy. Badając te zderzenia, badacze mogą obserwować podstawowe siły, które ukształtowały pierwszą materię we wszechświecie. Dane zebrane podczas tych zdarzeń o wysokiej energii stanowią unikalne okno na właściwości materii w ekstremalnych warunkach.

Śledząc pojedyncze kwarki poruszające się przez plazmę, zespół zauważył fale, pryski i wirujące smugi podobne do tych, które tworzy kaczka na wodzie. Te obserwacje stanowią pierwszy bezpośredni dowód, że plazma kwarkowo-gluonowa reaguje na szybkie cząstki jak pojedynczy płyn. Nie zachowuje się ona po prostu jak zbiór niezależnie rozpraszających się cząstek. Płynne zachowanie jest zgodne z tym, że materia jest prawdziwą cieczą, a nie gazem ani ciałem stałym. To zbiorowy ruch generuje widoczne smugi, które zespół wykrył. Bez tej właściwości płynnej smugi nie utworzyłyby się w zaobserwowanym wzorze.

Badanie prowadziło fizyków z MIT, a w jego skład wchodzili członkowie Współpracy CMS, globalnej grupy używającej detektora Compact Muon Solenoid. Lee i koledzy opracowali nową metodę wykrywania tych smug kwarkowych. Planują zastosować ją do większej ilości danych z zderzeń, aby znaleźć dodatkowe przykłady i zbadać je szczegółowo. Ta współpraca podkreśla międzynarodowy charakter współczesnych badań fizyki cząstek. Detektor Compact Muon Solenoid jest jednym z największych instrumentów kiedykolwiek zbudowanych w tym celu. Jego precyzja jest niezbędna do uchwycenia subtelnych efektów interakcji kwarków w plazmie.

Pomiar rozmiaru, prędkości, zasięgu i czasu zaniku smug może ujawnić kluczowe właściwości plazmy kwarkowo-gluonowej. Taka dane mogłyby też sugerować, jak plazma zachowywała się w pierwszych mikrosekundach po początku wszechświata.

„Badanie, jak smugi kwarkowe odbijają się tam i z powrotem, da nam nowe wgląd w właściwości plazmy kwarkowo-gluonowej” – powiedział Lee. „Z tym eksperymentem robimy snapshot tej prymitywnej zupy kwarkowej”.

To odkrycie wpisało się w pracowity tydzień fizyki cząstek. 7 października fizycy z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign zgłosili nietypowe zachowanie nadprzewodzące w ditelurku uranu. Pary elektronów tworzyły faliste wzorce zwane falami gęstości pary. Opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences badania sugerują, że te wzorce utrzymują się po zniknięciu zwykłej nadprzewodliwości. Odkrycie kwestionuje istniejące modele działania nadprzewodnictwa w złożonych materiałach. Otwiera nowe ścieżki do zrozumienia kwantowych stanów materii. Wyniki opisano w artykule, który już wywołał dyskusję wśród fizyków materii skondensowanej.

Eduardo Fradkin, profesor fizyki na Wydziale Inżynierii Grainger w Illinois i współlider projektu, opisał to odkrycie jako istotne. „Fale gęstości pary to uśmiech kota Cheshire nadprzewodnictwa” – powiedział Fradkin. „Są to pozostałości, które pozostają, gdy sama faza zniknie. W konwencjonalnych nadprzewodnikach pary Coopera tworzą się, gdy zachodzi pełne przejście fazowe, ale w tym systemie ich obserwacja w PDW powyżej punktu przejścia pokazuje, że tworzą się wcześniej w innym stanie”.

4 października badacze z Uniwersytetu Melbourne opublikowali wyniki 30-letniego australijskiego eksperymentu leśnego. Badanie, opublikowane przez ScienceDaily, wykazało, że silnie zrzedzone lasy eukaliptusów górskich wyrosły nietypowo duże drzewa. Te lasy odzyskały również wystarczająco dużo węgla, aby dorównać lub przewyższyć nienaruszone obszary. Sugeruje to, że staranne przerzedzanie może wspierać produkcję drewna, siedliska dla dzikiej przyrody i magazynowanie węgla jednocześnie. Długoterminowe dane rzadko rzucają światło na to, jak zarządzane lasy ewoluują przez dekady. Dostarczają praktycznych wniosków dla zrównoważonej leśnictwa w podobnych ekosystemach na całym świecie.

Odkrycie smug kwarkowych w CERN ma znaczenie dla modeli wczesnego wszechświata. Potwierdzenie płynnej natury plazmy kwarkowo-gluonowej daje namacalny obraz warunków tuż po Wielkim Wybuchu. Nowa metoda detekcji pozwala na dalszą analizę zachowania tej prymitywnej materii, potencjalnie udoskonalając modele najwcześniejszej ewolucji wszechświata.