Fizycy z CERN potwierdzają bryzgi kwarków w pierwotnej zupie

Kwarki zachowują się jak kaczki w wodzie

Przez dekady teoretycy spierali się, czy gorąca i gęsta materia wczesnego wszechświata spowalnia szybko poruszające się cząstki, czy pozwala im przejść bez wpływu. Zespół prowadzony przez fizyków z MIT rozwiązał ten problem przez bezpośrednią obserwację. W Wielkim Zderzaczu Hadronów przy CERN badacze obserwowali kwarki przebijające plazmę kwarkowo-glue, zostawiające po sobie wyraźne ślady. Przypomina to kaczkę pływającą po stawie. Ta bezpośrednia obserwacja kończy wieloletnią dyskusję teoretyczną o fundamentalnej naturze najwcześniejszego stanu materii. Dowody są teraz konkretne, a nie wnioskowane z pośrednich modeli zachowania cząstek.

Plazma jest niesamowicie gęsta.

Reaguje kolektywnie jako jednolita ciecz, generując fale i bryzgi, zamiast zachowywać się jak zbiór niezależnych cząstek. To pierwszy bezpośredni dowód takiego zachowania w tym konkretnym stanie pierwotnym. Reakcja kolektywna sugeruje lepkość, którą wcześniej zakładano tylko w złożonych symulacjach zderzeń o wysokiej energii.

"Teraz widzimy, że plazma jest niesamowicie gęsta, potrafi spowolnić kwark i produkuje bryzgi oraz wiry jak ciecz" – powiedział Yen-Jie Lee, profesor fizyki na MIT.

Plazma kwarkowo-glue istnieje w naturze tylko przez kilka milionowych części sekundy. Utworzyła się w pierwszych mikrosekundach po Wielkim Wybuchu. Aby ją badać, naukowcy zderzają ciężkie jony z prędkością bliską prędkości światła. Te zderzenia na chwilę oddzielają kwarki i glueony, odtwarzając warunki nowo powstałego wszechświata w małych ilościach. Nowe dane stanowią ujęcie tego krótkotrwałego stanu.

Metodologia i detekcja

Lee i jego współpracownicy opracowali nową metodę wykrywania tych śladów kwarkowych. Pomiarując rozmiar, prędkość i czas trwania zaburzeń, naukowcy mogą teraz określić kluczowe właściwości plazmy. W tym, jak szybko przemieszczają się fale i jak daleko się rozchodzą, zanim zanikną.

Badanie przeprowadziła Współpraca CMS, światowa grupa fizyków cząstek, używająca detektora Compact Muon Solenoid. Detektor jest jednym ze wszechstronnych instrumentów w Wielkim Zderzaczu Hadronów w Szwajcarii. Zespół planuje zastosować tę technikę do dodatkowych danych z zderzeń, aby znaleźć więcej przykładów i zbadać je szczegółowo.

Rozumienie tych właściwości pomaga badaczom wnioskować, jak plazma zachowywała się w pierwszych mikrosekundach wszechświata. Gdy temperatury spadały, kwarki i glueony łączyły się w protony i neutrony, tworząc podstawowe elementy całej widzialnej materii. Nowe wnioski łączą fizykę cząstek o wysokiej energii z kosmologią.

Kontekst w dziedzinie

Ten wynik pojawia się wraz z innymi istotnymi osiągnięciami w fizyce cząstek. 6 października Francis Halzen otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki za 2 026 rok za swoją pracę nad neutrinami o wysokiej energii. Badania Halzena, prowadzone z użyciem detektora IceCube w lodzie antarktycznym, skupiają się na wykrywaniu "duchowych cząstek" przybywających z głębokiego kosmosu.

Po pracy Halzena widać w kosmos, zespół z CERN patrzy w głąb na najbardziej energetyczne momenty historii. Oba obszary polegają na zaawansowanych detektorach do obserwacji nieuchwytnych zjawisk. Komitet Noblowski uhonorował Halzena za zamianę ogromnego bloku lodu w instrument naukowy. To osiągnięcie porównywalne w ambicji z precyzyjną inżynierią potrzebną w LHC.

Inne niedawne odkrycia w dziedzinie obejmują prace nad kwantowymi czujnikami do eksperymentów z fizyki cząstek i badania zachowania fotonów. Te wysiłki rozszerzają zestaw narzędzi dostępny dla fizyków. Potwierdzenie płynnego zachowania w plazmie kwarkowo-glue jest dużym krokiem w zrozumieniu fundamentalnych sił, które kształtowały wczesny wszechświat.

Wyniki sugerują, że "pierwotna zupa" nie była chaotycznym bałaganem, ale uporządkowaną cieczą z mierzalną lepkością i czasem odpowiedzi. Ma to implikacje dla modeli ewolucji wczesnego wszechświata. Gdy zespół będzie analizował więcej danych, obraz tych pierwszych mikrosekund stanie się coraz wyraźniejszy.