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, powstałej tuż po Wielkim Wybuchu. To odkrycie podważa wcześniejsze założenia dotyczące faz powstawania materii i sugeruje, że znaczna część materii wokół nas powstała później niż oczekiwano. Dzięki zrozumieniu tych procesów naukowcy mogą lepiej interpretować wyniki eksperymentów przeprowadzanych w zderzaczach i udoskonalać swoją wiedzę na temat pochodzenia wszechświata.
Odtworzenie ekstremalnych warunków wczesnego wszechświata
Wczesny wszechświat był 250 tysięcy 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 ich późniejszych reakcji, które 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.
Odkrycie to poprawia naukowe zrozumienie pochodzenia materii. 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.
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 roku. ID: ALICE-PHO-GEN-2015-004-1. Źródło: CERN
Zrozumienie pochodzenia materii
W latach dziewięćdziesiątych 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 uniwersytetów Yale i Duke wykorzystali nowe dane do obliczenia siły tego efektu – okazał się on znacznie bardziej znaczący, niż zakładali. Ponad 70% zmierzonego czarmonium mogło powstać w późniejszych reakcjach.
Gdy gorąca zupa cząstek subatomowych stygnie, rozszerza się w kuli ognia, a wszystko to dzieje się w czasie krótszym niż jedna setna czasu potrzebnego światłu na przebycie drogi długości atomu. Z powodu szybkości tego procesu naukowcy nie są pewni, w jaki sposób dokładnie rozszerza się owa kula.
Nowe obliczenia pokazują, że badacze nie muszą znać szczegółów tej ekspansji, ponieważ zderzenia i tak wytwarzają znaczną ilość czarmonium. Ten nowy wynik przybliża nas 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
