Naukowcom z Uniwersytetu Kopenhaskiego udało się odtworzyć pierwotną materię, która wypełniła Wszechświat krótko po Wielkim Wybuchu. Wyniki badań dostarczą nowych informacji na temat najwcześniejszych momentów Wszechświata, a jednocześnie pomogą naukowcom odpowiedzieć na jedno z fundamentalnych pytań fizyki jądrowej.
Pierwsze chwile istnienia Wszechświata trudno sobie wyobrazić. Temperatura była wtedy niewyobrażalnie wysoka, a materia nie przypominała jeszcze tej, z którą mamy do czynienia dzisiaj. Nie było protonów, neutronów, atomów ani gwiazd. Zamiast nich istniała niezwykle gorąca i gęsta mieszanina podstawowych składników materii, kwarków i gluonów.
Fizycy nazywają ją plazmą kwarkowo-gluonową. Uważa się, iż taki stan materii wypełniał młody Wszechświat przez mniej więcej pierwszą milionową część sekundy jego historii. Później, wraz z rozszerzaniem się przestrzeni i spadkiem temperatury, kwarki zaczęły łączyć się w protony i neutrony. Z nich z czasem powstały jądra atomowe, a znacznie później materia, z której zbudowane są gwiazdy, planety i my sami.
Problem polega na tym, iż nie da się oczywiście cofnąć zegara i zajrzeć do tamtej epoki. Można jednak stworzyć podobne warunki w laboratorium.
Mały Wielki Wybuch w laboratorium
Zajmują się tym fizycy z ośrodka badawczego CERN w Szwajcarii. Odtwarzając oni niektóre z ekstremalnych warunków, jakie panowały we Wszechświecie w jego najwcześniejszej historii. Naukowcy z Instytutu Nielsa Bohra, wraz z kolegami z międzynarodowego projektu ALICE, są o krok bliżej zrozumienia pierwszych chwil Wszechświata.
W CERN naukowcy potrafią zderzać jądra atomowe z prędkością bliską prędkości światła, tworząc maleńkie kropelki pierwotnej materii, która wypełniała Wszechświat w pierwszej milionowej części sekundy. Materia ta znana jest jako plazma kwarkowo-gluonowa i uważa się ją za najwcześniejszą formę materii we Wszechświecie.
Przez wiele lat naukowcy zakładali, iż stworzenie tej plazmy wymaga zderzeń między bardzo ciężkimi jądrami atomowymi, takimi jak ołów. Jednak fizykom z Instytutu Nielsa Bohra udało się stworzyć pierwotną materię poprzez zderzenie ze sobą znacznie mniejszych jąder tlenu-16 i neonu-20.
Przesunęliśmy granicę wielkości jąder atomowych, jednocześnie odtwarzając tę pierwotną materię, to, co można by nazwać Małym Wielkim Wybuchem. Teraz wiemy więcej o fundamentalnych warunkach niezbędnych do przejścia materii w ten ekstremalny stan. Mamy nadzieję, iż pomoże nam to lepiej zrozumieć, jak zachowywała się plazma w pierwszych chwilach istnienia Wszechświata i jak później przekształciła się w formę materii, z której zbudowane jest wszystko, co nas otacza – mówi You Zhou, który kierował eksperymentem.
Wyniki badań zostały właśnie opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Physical Review Letters.
Zderzenie zostawia po sobie ślad
Skala eksperymentu jest niemal absurdalnie mała w porównaniu z tym, co wydarzyło się podczas Wielkiego Wybuchu. W laboratorium nie powstaje oczywiście nowy Wszechświat. W mikroskopijnym obszarze na bardzo krótki czas udaje się jednak stworzyć materię o adekwatnościach przypominających tę, która istniała w jego najwcześniejszej historii.
Kiedy jądra atomowe zderzają się, ich składniki przekształcają się w maleńką kropelkę plazmy kwarkowo-gluonowej, która istnieje przez ułamek sekundy. Kropla niezwykle gorącej materii następnie rozszerza się. Naukowcy nie mogą bezpośrednio obserwować plazmy, ale mogą zmierzyć cząstki, w które materia przekształca się niedługo potem.
Okazuje się, iż wzór ruchu cząstek ujawnia kształt jądra atomowego. Podczas gdy zderzenia dwóch jąder tlenu tworzą bardziej zaokrąglony wzór, zderzenia z udziałem neonu tworzą wzór przypominający kręgle.
Cząstki materii pierwotnej są bezpośrednio zależne od geometrycznego kształtu jądra atomowego. jeżeli zderzamy ze sobą dwa jądra kuliste, otrzymujemy jeden wzór. jeżeli mają kształt kręgli, otrzymujemy inny. Badając ruch cząstek po zderzeniu, możemy uzyskać wgląd w jądra atomowe. To trochę jak skierowanie światła na obiekt i zobaczenie jego cienia. Nie widać obiektu bezpośrednio, ale jego cień ujawnia jego kształt. W ten sam sposób ruch cząstek ujawnia geometryczny kształt jąder atomowych, które były obecne na początku zderzenia – wyjaśnia Emil Gorm Dahlbæk Nielsen z Instytutu Nielsa Bohra, współautor badania.
Nie znamy dokładnej granicy
Kwestia kształtu i struktury jąder atomowych zajmuje fizyków od ponad 70 lat i związana jest z Instytem Nielsa Bohra. To właśnie prace Aage Bohra nad strukturą jądra atomowego przyniosły mu Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1975 r.
Kształt jądra atomowego to nie tylko kwestia geometrii. Ujawnia on, jak zorganizowane są protony i neutrony, i dostarcza ważnych informacji o oddziaływaniu silnym, jednym z czterech podstawowych oddziaływań natury, nad którego pełnym zrozumieniem naukowcy wciąż pracują. Oddziaływanie silne odpowiada za wiązanie kwarków w protony i neutrony, a pośrednio także za utrzymywanie protonów i neutronów razem w jądrze atomowym.
Dotychczas naukowcy zajmowali się głównie badaniem struktury jądra atomowego przy niskich energiach, np. poprzez badanie rotacji i wibracji jąder atomowych.
Dokładne zrozumienie struktury jądra atomowego pomaga nam zrozumieć oddziaływania silne. Zamiast jednak uważnie badać jądra atomowe przy niskich energiach, zderzamy je ze sobą przy najwyższych energiach, jakie jesteśmy w stanie wytworzyć, i teraz możemy odczytać ich kształt na podstawie śladu, jaki po sobie pozostawiają – mówi You Zhou.
Jeśli metoda zostanie rozwinięta, może ona zapewnić nowy sposób badania innych jąder atomowych, których struktury nie są jeszcze dobrze poznane.
Naukowcy wciąż nie znają dokładnej granicy, kiedy może powstać plazma kwarkowo-gluonowa. Kolejnym krokiem jest zatem przeprowadzenie eksperymentów z jeszcze lżejszymi jądrami, takimi jak hel-4.
Fascynujące jest to, iż możemy wykorzystać ten sam eksperyment zarówno do poznania struktury jąder atomowych, jak i do lepszego zrozumienia tego, co wydarzyło się podczas narodzin Wszechświata. Okazuje się, iż te dwie rzeczy są ze sobą znacznie ściślej powiązane, niż mogłoby się początkowo wydawać – podsumowuje You Zhou.
