Naukowcy odtworzyli ekstremalne warunki wczesnego wszechświata w akceleratorach cząstek, co pozwoliło na dokonanie zaskakujących spostrzeżeń na temat powstawania materii.
Nowe obliczenia pokazują, że do 70% niektórych cząstek może pochodzić z późniejszych reakcji, a nie z początkowej zupy kwarkowo-gluonowej utworzonej tuż po Wielkim Wybuchu. To odkrycie podważa wcześniejsze założenia dotyczące osi czasu powstawania materii i sugeruje, że znaczna część materii wokół nas powstała później, niż oczekiwano. Dzięki zrozumieniu tych procesów naukowcy mogą lepiej interpretować wyniki eksperymentów zderzaczy i udoskonalać swoją wiedzę na temat pochodzenia wszechświata.
Odtworzenie ekstremalnych warunków wczesnego wszechświata
Wczesny wszechświat był 250 000 razy gorętszy niż jądro naszego słońca. To zdecydowanie za gorąco, aby uformować protony i neutrony, z których składa się materia, z jaką mamy do czynienia na co dzień. Naukowcy odtwarzają warunki wczesnego wszechświata w akceleratorach cząstek, zderzając atomy ze sobą z prędkością bliską prędkości światła. Pomiar powstałego deszczu cząstek pozwala badaczom zrozumieć, w jaki sposób powstała materia.
Cząstki, które zostały mierzone przez naukowców, mogą powstawać na różne sposoby: z pierwotnej zupy kwarków i gluonów lub z późniejszych reakcji. Te późniejsze reakcje rozpoczęły się 0,000001 sekundy po Wielkim Wybuchu, kiedy złożone cząstki zbudowane z kwarków zaczęły oddziaływać ze sobą. Nowe obliczenia wykazały, że aż 70% niektórych zmierzonych cząstek pochodzi z tych późniejszych reakcji, a nie z reakcji podobnych do tych zachodzących we wczesnym wszechświecie.
To odkrycie poprawia naukowe zrozumienie pochodzenia materii. Pomaga określić, ile materii wokół nas powstało w pierwszych kilku ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu, a ile materii powstało z późniejszych reakcji w miarę rozszerzania się wszechświata. Wynik ten oznacza, że duże ilości materii wokół nas powstały później niż oczekiwano.
Aby zrozumieć wyniki eksperymentów zderzeniowych, naukowcy muszą pominąć cząstki powstałe w późniejszych reakcjach. Tylko cząstki powstałe w subatomowej zupie ujawniają wczesne warunki wszechświata. To nowe badanie pokazuje, że liczba zmierzonych cząstek powstałych w późniejszych reakcjach jest znacznie wyższa niż sądzono.
ALICE (A Large Ion Collider Experiment) to detektor poświęcony fizyce ciężkich jonów w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC). Został zaprojektowany do badania fizyki silnie oddziałującej materii przy ekstremalnych gęstościach energii, w której tworzy się faza materii zwana plazmą kwarkowo-gluonową. Ilustracja pokazuje jedno z pierwszych zderzeń ołów-ołów w Wielkim Zderzaczu Hadronów, zarejestrowane przez detektor ALICE w listopadzie 2010 r. ID: ALICE-PHO-GEN-2015-004-1. Źródło: CERN
Zrozumienie pochodzenia materii
W latach 90. fizycy zdali sobie sprawę, że pewne cząstki powstają w znacznych ilościach z reakcji następujących po początkowej fazie formowania się wszechświata. Cząstki zwane mezonami D mogą oddziaływać, tworząc rzadką cząstkę, czarmonium. Naukowcy nie byli zgodni co do tego, jak ważny jest ten efekt. Ponieważ czarmonium jest rzadkie, trudno je zmierzyć.
Niedawne eksperymenty dostarczają jednak danych na temat tego, ile czarmonium i mezonów D powstaje w zderzaczach. Fizycy z Yale University i Duke University wykorzystali nowe dane do obliczenia siły tego efektu. Okazuje się, że jest on znacznie bardziej znaczący niż oczekiwano. Ponad 70% zmierzonego czarmonium mogło powstać w późniejszych reakcjach.
Gdy gorąca zupa cząstek subatomowych stygnie, rozszerza się w kuli ognia. Wszystko to dzieje się w czasie krótszym niż jedna setna czasu potrzebnego światłu na przebycie drogi długości atomu. Ponieważ dzieje się to tak szybko, naukowcy nie są pewni, w jaki sposób dokładnie rozszerza się kula ognia.
Nowe obliczenia pokazują, że naukowcy nie muszą znać szczegółów tej ekspansji ponieważ zderzenia i tak wytwarzają znaczną ilość czarmonium. Ten nowy wynik przybliża naukowców o krok do zrozumienia pochodzenia materii.
Więcej informacji: publikacja „Hadronic J/ψ regeneration in Pb+Pb collisions” autorstwa Josepha Dominicusa Lapa i Berndta Müllera, Physics Letters B (2023). DOI: 10.1016/j.physletb.2023.138246
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Wizja artystyczna rozprysku cząstek powstających w wyniku zderzenia dwóch ciężkich atomów. Autor: Joseph Dominicus Lap, red. SciTechDaily.
