Тешки судари на Велики хадронски колајдер (ЛХЦ) открили су најслабији траг бдења који је оставио кварк који сече кроз нуклеарну материју од трилион степени – наговештавајући да је првобитна супа универзума можда буквално била више налик супи него што смо мислили.
Нова открића из ЛХЦ-ове сарадње са компактним мионским соленоидом (ЦМС) показују прве јасне доказе суптилног „пропадања“ у производњи честица иза високоенергетског кварка док пролази кроз кварк-глуонску плазму — капљицу примордијалне материје за коју се сматра да је испунила свемир микросекунде након Велики прасак.
Поновно стварање услова раног универзума у лабораторији
Када се тешка атомска језгра сударе брзином скором светлости унутар ЛХЦ-а, накратко се топе у егзотично стање познато као кварк-глуон плазма.
У овом екстремном окружењу, „густина и температура су толико високе да се правилна структура атома више не одржава“, Ии Цхендоцент физике на Универзитету Вандербилт и члан ЦМС тима, рекао је за Ливе Сциенце путем е-поште. Уместо тога, „сва језгра се преклапају заједно и формирају такозвану кварк-глуонску плазму, где кваркови и глуони могу да се крећу изван граница језгара. Понашају се више као течност.“
Ова капљица плазме је изузетно мала – око 10-14 метара у пречнику, или 10.000 пута мањи од атома — и нестаје скоро тренутно. Ипак, унутар те пролазне капљице, кваркови и глуони — основни носиоци јака нуклеарна сила који држи атомска језгра заједно – тече заједно на начине који више личе на ултраврућу течност него на једноставан гас честица.
Физичари желе да схвате како енергетске честице комуницирају са овим чудним медијумом. „У нашим студијама желимо да проучимо како различите ствари ступају у интеракцију са малом капљицом течности која се ствара у сударима“, рекао је Чен. „На пример, како би кварк високе енергије прошао кроз ову врућу течност?“
Теорија предвиђа да би кварк иза себе оставио видљив траг у плазми, слично као што би чамац који сече воду. „Имаћемо да вода гура напред са чамцем у истом правцу, али такође очекујемо мали пад нивоа воде иза чамца, јер се вода потискује“, рекао је Чен.
У пракси, међутим, одвајање „чамца“ од „воде“ далеко је од једноставног. Капљица плазме је сићушна, а експериментална резолуција је ограничена. На предњој страни путање кварка, кварк и плазма интензивно делују, што отежава разазнавање који сигнали долазе од којих. Али иза кварка, буђење – ако постоји – мора бити својство саме плазме.
„Дакле, желимо да пронађемо овај мали урон на задњој страни“, рекао је Чен.
Чиста сонда са З бозонима
Да би изоловао то буђење, тим се окренуо посебној партнерској честици: З бозону, једном од носилаца слабе нуклеарне силе – једне од четири фундаменталне интеракције, заједно са електромагнетним, јаким и гравитационим силама – одговорним за одређене атомске и субатомске процесе распадања. У одређеним сударима, З бозон и кварк високе енергије настају заједно, повлачећи се у супротним смеровима.
Ево где З бозон постаје пресудан. „З бозони су одговорни за слабу силу, а што се плазме тиче, З само побегне и нестаје са слике“, рекао је Чен. За разлику од кваркова и глуона, З бозони једва ступају у интеракцију са плазмом. Они остављају зону судара неоштећеном, обезбеђујући чист индикатор првобитног правца и енергије кварка.
Ова поставка омогућава физичарима да се фокусирају на кварк док пролази кроз плазму, без бриге да је његова партнерска честица изобличена од стране медија. У суштини, З бозон служи као калибрисани маркер, што олакшава тражење суптилних промена у производњи честица иза кварка.
ЦМС тим је измерио корелације између З бозона и хадрона – композитних честица направљених од кваркова – који су настали из судара. Анализирајући колико се хадрона појављује у смеру „назад” у односу на кретање кварка, могли би да траже предвиђени траг.
Мали, али важан сигнал
Резултат је суптилан. „У просеку, у смеру уназад, видимо да постоји промена од мање од 1% у количини плазме“, рекао је Чен. „То је веома мали ефекат (и делимично зашто је људима требало толико времена да га експериментално демонстрирају).“
Ипак, та супресија од мање од 1% је управо врста потписа која се очекује од кварка који преноси енергију и импулс на плазму, остављајући осиромашени регион за собом. Тим извештава да је ово први пут да је такав пад јасно откривен у догађајима означеним З.
Облик и дубина урона кодирају информације о својствима плазме. Враћајући се на њену аналогију, Чен је приметила да ако вода лако тече, урон иза чамца се брзо попуњава. Ако се понаша више као мед, депресија се задржава. „Дакле, проучавање како овај урон изгледа… даје нам информације о самој плазми, без компликација чамца“, рекла је она.
Осврћући се на рани универзум
Налази такође имају космолошке импликације. Верује се да је рани универзум, убрзо након Великог праска, био испуњен кварк-глуонском плазмом пре него што се охладио у протоне, неутроне и, на крају, атоме.
„Ова ера се не може директно посматрати путем телескопа“, каже Чен. „Свемир је тада био непрозиран. Судари тешких јона пружају „мали увид у то како се универзум понашао током ове ере“, додала је она.
За сада, уочени пад је „само почетак“, закључио је Чен. „Узбудљива импликација овог рада је да отвара ново место за стицање бољег увида у својства плазме. Са више акумулираних података, моћи ћемо прецизније да проучавамо овај ефекат и сазнамо више о плазми у блиској будућности.“
