Uczeni odtworzyli temperatury nie widziane od pierwszych milisekund istnienia Wszechświata i odkryli, że wydarzenia zachodzące w eksperymencie nie rozwijały się tak, jak się spodziewano. Praca na ten temat ukazała się w Physical Review Letters. Oddziaływanie energii, materii i silnych oddziaływań jądrowych w ultra gorących eksperymentach przeprowadzonych w Zderzaczu Ciężkich Jonów Relatywistycznych (Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC) wydawało się być dobrze rozumiane. Jednak bardziej szczegółowe badania pokazały, że fizycy w swoich modelach działania Wszechświata przeoczyli coś ważnego.

To jedna z tych rzeczy, których nie podejrzewasz o próby powiedzenia ci czegoś ważnego” – mówi Steven Manly, profesor fizyki i astronomii z University of Rochester, współautor pracy. “Natura oddziaływań w gorącym, gęstym ośrodku, lub przynajmniej ich przejawy, zależą od kąta pod którym ośrodek jest oglądany. Nie wiemy dlaczego tak jest. Dodaliśmy kilka nowych klocków do układanki i obserwujemy jak teraz ten obrazek wygląda“.

W znajdującym się w Brookhaven laboratorium RHIC, Manly i jego współpracownicy z eksperymentu PHOBOS chcieli zbadać naturę silnego oddziaływania, które odpowiedzialne jest za trwałość jąder atomowych. Zderzali oni dwa atomy złota poruszające się z prędkościami porównywalnymi z prędkością światła i próbowali stworzyć coś, co nazywane jest “plazmą kwarkowo-gluonową”. To bardzo krótko trwający stan, w którym temperatura jest dziesiątki tysięcy razy wyższa niż w jądrach najgorętszych gwiazd. Cząstki w jej gorącej zupie plazmy rozbiegają się we wszystkie strony, nie będąc jednak w stanie uniknąć zderzeń z innymi cząstkami zupy. To jak próba ucieczki z zatłoczonego pokoju – im więcej jest w nim ludzi, tym taka ucieczka jest trudniejsza. Siła oddziaływania pomiędzy cząstkami plazmy jest wyznaczona przez oddziaływanie silne, tak więc uważne obserwowanie cząstek z niej wylatujących może pozwolić na zrozumienie jak wyglądają własności oddziaływania silnego w wysokich temperaturach.

Aby uprościć swoje obserwacje, badacze zderzali okrągłe atomy złota nieco niecentralnie, tak aby obszar zderzenia nie był okrągły lecz nieco zaokrąglony na każdym z końców. Dzięki temu cząstki uciekające w kierunku końców obszaru przechodziły przez większą ilość plazmy niż uciekające w kierunku prostopadłym. Różnice w liczbie cząstek uciekających w różnych kierunkach stały się źródłem informacji o gorącej materii i być może o samym oddziaływaniu silnym.

I tu pojawiła się niespodzianka. W miejscu zderzenia atomów złota cząstki rzeczywiście potrzebowały więcej czasu aby wydostać się przez końcówki obszaru zderzeń niż przez jego boki. Jednak ta różnica znikała dalej od miejsca zderzenia. Narusza to ważną zasadę fizyki niezmienniczość względem “boostów”.

Kiedy zaprezentowaliśmy wyniki na konferencji w Stony Brook, słuchacze nie chcieli w to uwierzyć” – mówi Manly. “Stwierdzili: Tak nie może być! Naruszacie niezmienniczość! Jednak badaliśmy to zjawisko przez ponad rok i potwierdziliśmy te obserwacje“.

Oprócz dołożenia brakującego elementu do układanki fizyki, odkrycie oznacza, że pełne zrozumienie zderzeń będzie znacznie trudniejsze niż się spodziewano. Uczeni nie mogą badać tylko punktu, w którym cząstki zderzyły się. Muszą dokonywać pomiarów na całej długości plazmy. W ten sposób problem z dwuwymiarowego staje się trójwymiarowym. Podniesie to znacznie trudności obliczeniowe jakiegokolwiek modelu, który będzie rozpatrywany.

Modelowanie i zrozumienie takich zderzeń jest bardzo istotne, gdyż sposób w jaki plazma stygnie i kondensuje może rzucić nowe światło na sposób w jaki materia jest obdarzana masą. Problem pochodzenia masy jest od dziesięcioleci jednym z największych problemów fizyki. Manly uważa, że zrozumienie zachowania plazmy gluonowo-kwarkowej może pozwolić nam zajrzeć w prawa rządzące światem, w którym żyjemy.

Autor

Michał Matraszek