Naukowcy odtworzyli ekstremalne warunki wczesnego Wszechświata w eksperymencie z użyciem akceleratora cząstek. Zespół badaczy z Uniwersytetu w Barcelonie, Indyjskiego Instytutu Technologii i Texas A&M University dokonał przełomu w zrozumieniu, jak zachowują się najcięższe cząstki Wszechświata w warunkach podobnych do tych tuż po Wielkim Wybuchu.
Opublikowane w Physics Reports badania skupiają się na hadronach zawierających ciężkie kwarki – kwarki „charm” i „bottom” – które są budulcem jednych z najmasywniejszych cząstek. Stanowią one unikalne narzędzie do badania materii w warunkach niemal niemożliwych do odtworzenia naturalnie na Ziemi.
Do przeprowadzenia badań naukowcy wykorzystują ogromne akceleratory cząstek, takie jak Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) czy Relatywistyczny Zderzacz Jonów Ciężkich (RHIC). W tych urządzeniach zderzają jądra atomowe z prędkościami bliskimi prędkości światła, co prowadzi do powstania temperatur przewyższających o ponad tysiąc razy temperaturę w centrum Słońca. W tych warunkach tworzy się plazma kwarkowo-gluonowa – „zupa” fundamentalnych cząstek istniejąca ułamki sekund po Wielkim Wybuchu.
Gdy plazma ta ochładza się, przechodzi w fazę materii hadronowej, złożonej z protonów, neutronów oraz innych egzotycznych cząstek, takich jak bariony i mezony. Zrozumienie tej przemiany pozwala naukowcom odtworzyć, jak chaotyczna zupa fundamentalnych cząstek ewoluowała do uporządkowanej materii, którą obserwujemy obecnie.
Ciężkie kwarki działają jak małe sensory w tych ekstremalnych warunkach. Ze względu na swoją masę poruszają się wolniej niż lżejsze cząstki i w odmienny sposób oddziałują z otoczeniem. To sprawia, że są idealne do badania właściwości gorącej, gęstej materii, przez którą się przemieszczają.
Nowe badania pokazują, że równie ważna jak początkowa faza plazmy kwarkowo-gluonowej jest faza ochładzania, podczas której system przechodzi w materię hadronową. W tym czasie ciężkie hadrony, zwłaszcza mezony D i B, oddziałują z lżejszymi cząstkami, co wpływa na ich zachowanie i daje cenne dane dla naukowców.
„Ta faza, gdy system już się ochładza, nadal odgrywa istotną rolę w procesie utraty energii przez cząstki i ich wspólnym przepływie. Pominięcie tego etapu oznaczałoby brak ważnego elementu układanki” – tłumaczy Juan M. Torres-Rincón z Uniwersytetu w Barcelonie.
Wyniki badań poszerzają nasze rozumienie właściwości materii i fundamentalnych sił kształtujących Wszechświat od jego najwcześniejszych chwil. Stanowią też podstawę do kolejnych eksperymentów na niższych energiach, planowanych m.in. w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN i w nowym ośrodku FAIR w Niemczech.
Dzięki takim badaniom nauka zbliża się do odpowiedzi na pytania o powstanie i ewolucję Wszechświata, odtwarzając warunki, które doprowadziły do powstania obecnego, złożonego kosmosu.
Źródło: Science Alert
