Fizycy stworzyli trzy różne kształty plam kwarkowo-gluonowych za pomocą relatywistycznego ciężkiego zderzacza jonów w Brookhaven National Laboratory. Ta plazma jest egzotycznym rodzajem materii, która wypełniła wszechświat w pierwszych milisekundach po Wielkim Wybuchu.
(Zdjęcie: © Javier Orjuela Koop)
Przez pierwszą ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu wszechświat był niczym innym jak wyjątkowo gorącą „zupą” kwarków i gluonów - cząstek subatomowych, które stałyby się budulcem protonów i neutronów. Teraz, 13,8 miliarda lat później, naukowcy odtworzyli tę pierwotną zupę w laboratorium.
Korzystając z relatywistycznego zderzacza ciężkich jonów w Brookhaven National Laboratory w Upton, Nowy Jork, fizycy wytworzyli małe krople tej plazmy kwarkowo-gluonowej poprzez rozbicie różnych kombinacji protonów i neutronów. Naukowcy odkryli, że podczas tych wypadków kwarki i gluony, które tworzyły protony i neutrony, uwolniły się i zachowywały jak ciecz.
W zależności od tego, jaką kombinację cząstek zderzyli ze sobą naukowcy, maleńkie, podobne do cieczy globusy plazmy utworzyły jeden z trzech wyraźnych kształtów geometrycznych: koła, elipsy lub trójkąty. [Obrazy: Peering Back to the Big Bang & Early Universe]
„Nasz wynik eksperymentu znacznie zbliżył nas do odpowiedzi na pytanie, jaka jest najmniejsza ilość wczesnej materii wszechświata, jaka może istnieć” - powiedział Jamie Nagle, fizyk z University of Colorado Boulder, który uczestniczył w badaniu.
Plazmy kwarkowo-gluonowe powstały po raz pierwszy w Brookhaven w 2000 roku, kiedy naukowcy rozbili jądra atomów złota. Następnie naukowcy z Wielkiego Zderzacza Hadronów w Genewie przeciwstawili się oczekiwaniom, gdy stworzyli plazmę, rozbijając dwa protony. „To było zaskakujące, ponieważ większość naukowców zakładała, że samotne protony nie są w stanie dostarczyć wystarczającej ilości energii, aby wytworzyć coś, co mogłoby płynąć jak płyn” - powiedzieli w oświadczeniu urzędnicy UC Boulder.
Nagle i jego koledzy postanowili przetestować płynne właściwości tego egzotycznego stanu materii, tworząc jego małe kulki. Naukowcy przewidzieli, że jeśli plazma naprawdę zachowuje się jak ciecz, małe globusy powinny być w stanie utrzymać swój kształt.
„Wyobraź sobie, że masz dwie krople, które rozszerzają się w próżnię”, powiedział Nagle. „Jeśli dwie kropelki są naprawdę blisko siebie, to gdy się rozszerzają, wpadają na siebie i napierają na siebie, i to właśnie tworzy ten wzór”.
„Innymi słowy, jeśli rzucisz dwa kamienie do stawu blisko siebie, zmarszczki po tych uderzeniach wpłyną na siebie, tworząc wzór przypominający elipsę”, powiedzieli urzędnicy UC Boulder. „To samo może być prawdą, jeśli rozbijesz parę proton-neutron, zwaną deuteronem, na coś większego ... Podobnie trio proton-proton-neutron, znane również jako atom helu-3, może rozwinąć się w coś podobnego do trójkąta ”.
Wbijając te różne kombinacje protonów i neutronów w atomy złota z prędkością zbliżoną do prędkości światła, naukowcy byli w stanie zrobić dokładnie to, na co mieli nadzieję: stworzyć eliptyczne i trójkątne plamy plazmy kwarkowo-gluonowej. Kiedy naukowcy rozbili pojedynczy proton w złoty atom, rezultatem była okrągła kropla pierwotnej zupy.
Te krótkotrwałe kropelki plazmy kwarkowo-gluonowej osiągnęły temperaturę trylionów stopni Celsjusza. Naukowcy uważają, że badanie tego rodzaju materii „mogłoby pomóc teoretykom lepiej zrozumieć, w jaki sposób pierwotna plazma kwarkowo-gluonowa ochładzała się w ciągu milisekund, dając początek istniejącym pierwszym atomom” - powiedzieli urzędnicy UC Boulder.
Wyniki tego badania zostały opublikowane 10 grudnia w czasopiśmie Nature Physics.
