Poszukiwanie zawęża tajemniczą formę materii przewidzianą w teorii szczególnej teorii względności Einsteina. Po ponad dekadzie poszukiwań naukowcy z największego zderzacza cząstek na świecie uważają, że są na skraju znalezienia go.
Ale naukowcy nie szukają w eksplodowanych wnętrznościach cząstek zmiażdżonych ze sobą z prawie prędkością światła.
Zamiast tego fizycy z Large Hadron Collider (LHC), 17-milowego (27 kilometrów) pierścienia zakopanego pod ziemią w pobliżu granicy między Francją a Szwajcarią, szukają brakującej materii, zwanej kondensatem ze szkła kolorowego, badając, co dzieje się, gdy cząstki nie koliduj, ale zamiast tego zbliżaj się do siebie w niemal nieudanych wypadkach.
W standardowym modelu fizyki, w teorii opisującej zoo cząstek subatomowych, 98% widocznej materii we wszechświecie jest utrzymywane razem przez podstawowe cząstki zwane gluonami. Te trafnie nazwane cząstki są odpowiedzialne za siłę, która skleja kwarki, tworząc protony i neutrony. Kiedy protony są przyspieszane do prędkości zbliżonej do prędkości światła, dochodzi do dziwnego zjawiska: stężenie gluonów w nich gwałtownie rośnie.
„W takich przypadkach gluony dzielą się na pary gluonów o niższych energiach, a takie gluony dzielą się później i tak dalej” - powiedział w oświadczeniu Daniel Tapia Takaki, profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Kansas. „W pewnym momencie rozszczepienie gluonów wewnątrz protonu osiąga granicę, przy której rozmnażanie się gluonów przestaje rosnąć. Taki stan jest znany jako kondensat szkła kolorowego, hipotetyczna faza materii, o której uważa się, że istnieje w bardzo wysokiej protony energii, a także w ciężkich jądrach. ”
Według Brookhaven National Laboratory kondensat może wyjaśnić wiele nierozwiązanych zagadek fizyki, takich jak tworzenie cząstek w zderzeniach wysokoenergetycznych lub rozkład materii w cząsteczkach. Jednak potwierdzenie jego istnienia wymyka się naukowcom od dziesięcioleci. Ale w 2000 r. Fizycy z relatywistycznego zderzacza ciężkich jonów Brookhaven znaleźli pierwsze oznaki, że może istnieć kondensat ze szkła kolorowego.
Kiedy laboratorium zmiażdżyło złote atomy pozbawione elektronów, znaleźli dziwny sygnał w cząsteczkach wypływających z kolizji, wskazując, że protony atomów były wypełnione gluonami i zaczęły tworzyć kondensat ze szkła kolorowego. Dalsze eksperymenty z zderzaniem ciężkich jonów w LHC dały podobne wyniki. Jednak zderzające się ze sobą protony z relatywistycznymi prędkościami mogą jedynie przelotnie ujrzeć wnętrze protonów, zanim cząstki subatomowe gwałtownie wybuchną. Sondowanie wnętrza protonów ma łagodniejsze podejście.
Gdy naładowane cząstki, takie jak protony, są przyspieszane do dużych prędkości, wytwarzają silne pola elektromagnetyczne i uwalniają energię w postaci fotonów lub cząstek światła. (Dzięki podwójnej naturze światła jest to również fala.) Te wycieki energii zostały kiedyś odrzucone jako niepożądany efekt uboczny akceleratorów cząstek, ale fizycy nauczyli się nowych sposobów wykorzystania fotonów o wysokiej energii na ich korzyść.
Jeśli protony znajdą się obok siebie w akceleratorze, śmigają obok siebie, burza uwalnianych przez nie fotonów może powodować zderzenia protonu z fotonem. Te tak zwane zderzenia ultraperyferyjne są kluczem do zrozumienia wewnętrznego działania wysokoenergetycznych protonów.
„Kiedy wysokoenergetyczna fala świetlna uderza w proton, wytwarza cząstki - wszelkiego rodzaju cząstki - bez łamania protonu”, powiedziała w oświadczeniu Tapia Takaki. „Te cząstki są rejestrowane przez nasz detektor i pozwalają nam odtworzyć niespotykanie wysokiej jakości obraz tego, co jest w środku”.
Tapia Takaki i międzynarodowa współpraca naukowców używają teraz tej metody do śledzenia nieuchwytnego kondensatu szkła kolorowego. Naukowcy opublikowali wczesne wyniki swoich badań w sierpniowym wydaniu The European Physical Journal C. Po raz pierwszy zespół był w stanie pośrednio zmierzyć gęstość gluonów na czterech różnych poziomach energii. Na najwyższym poziomie znaleźli dowody, że kondensat ze szkła kolorowego dopiero zaczynał się formować.
Wyniki eksperymentów „… są bardzo ekscytujące, dostarczają nowych informacji na temat dynamiki gluonu w protonie, ale istnieje wiele teoretycznych pytań, na które nie ma odpowiedzi”, Victor Goncalves, profesor fizyki na Federalnym Uniwersytecie Pelotas w Brazylii i współautor badania, powiedział w oświadczeniu.
Na razie istnienie kondensatu ze szkła kolorowego pozostaje nieuchwytną tajemnicą.
