Eksperymenty LHC rzucają nowe światło na materię pierwotnego Wszechświata

0

Eksperymenty ALICE, ATLAS i CMS, analizujące zderzenia ciężkich jonów na Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), dokonały nowych obserwacji materii która prawdopodobnie tworzyła Wszechświat u jego zarania, w ten sposób pogłębiając nasze zrozumienie pierwotnego Wszechświata. Najnowsze wyniki zostaną zaprezentowane na tegorocznej konferencji Quark Mater, która rozpoczęła się 13 sierpnia 2012 roku w Waszyngtonie. Nowe obserwacje oparte są głównie na danych ze zderzeń jonów ołowiu zebranych w ciągu czterech tygodni w 2011 roku. W tym czasie LHC dostarczył 20 razy więcej zderzeń niż rok wcześniej.

Bezpośrednio po Wielkim Wybuchu, kwarki i gluony – podstawowe składniki materii – nie były uwięzione w cząstkach takich jak proton czy neutron, jak to ma miejsce obecnie. Poruszały się swobodnie tworząc stan materii zwany „plazmą kwarkowo-gluonową”. Zderzenia jonów ołowiu w LHC, najpotężniejszym na świecie akceleratorze cząstek, wytwarzają na niezmiernie krótki moment warunki podobne do tych panujących we wczesnym Wszechświecie. Analizując około miliarda takich zderzeń, eksperymenty zdołały dokonać dokładnych pomiarów własności materii w tych ekstremalnych warunkach.

LHC i działające na nim eksperymenty stawiają sobie za cel odpowiedz na kluczowe pytania fundamentalnej fizyki. Poza dalszym badaniem niedawno odkrytej cząstki, być może bozonu Higgsa, fizycy studiują wiele innych ważnych zjawisk w zderzeniach proton-proton oraz ołów-ołów. Fizyka ciężkich jonów jest kluczowa dla zrozumienia własności materii pierwotnego Wszechświata, – powiedział Rolf Heuer, dyrektor naczelny CERNu.

Na rozpoczynającej się właśnie konferencji, eksperymenty ALICE, ATLAS i CMS przedstawią znacznie pogłębioną wiedzę na temat najgęstszej i najgorętszej materii kiedykolwiek badanej w warunkach laboratoryjnych – 100 000 razy gorętszej niż wnętrze Słońca i gęstszej niż gwiazda neutronowa.

Współpraca ALICE przedstawi bogate wyniki na temat wszystkich aspektów ewolucji, tak w czasie jak i przestrzeni, tej gęstej i silnie oddziaływującej materii. Ważny fragment badań skupia się na tzw. „cząstkach powabnych”, które zawierają kwark powabny lub jego antycząstkę. Kwarki powabne, 100 razy cięższe od kwarków dolnych i górnych tworzących zwykłą materię, zostają znacznie spowolnione w trakcie przedzierania się przez plazmę kwarkowo-gluonową, dając wyjątkową możliwość badania własności tej ostatniej. ALICE pokaże również wyniki wskazujące na to, że przepływ w wytworzonej plaźmie jest wystarczająco silny aby pociągnąć za sobą cząstki powabne. Eksperyment zaobserwował również oznaki tzw. zjawiska „termalizacji”, kiedy następuje łączenie się kwarków i antykwarków powabnych w cząstki nazywane „czarmonium”.

To tylko jeden z przykładów potencjału naukowego eksperymentu ALICE, – powiedział Paolo Giubellino, leader współpracy ALICE. – Z pomoca danych które cały czas analizujemy, oraz tych które jeszcze zbierzemy w lutym przyszłego roku, jesteśmy bliżej niż kiedykolwiek odkrycia zagadki pierwotnego Wszechświata – plazmy kwarkowo-gluonowej.

Tzw. „dysocjacja czarmonium”, zapostulowana w latach 80-tych, miała stanowić bezpośredni sygnał wystąpienia plazmy kwarkowo-gluonowej. Pierwsze doniesienia o obserwacji dysocjacji, w roku 2000, pochodziły z eksperymentów na stałej tarczy na CERN’owskim akceleratorze SPS. Dzięki wiele wyższej energii LHC, po raz pierwszy możliwym stało się badanie podobnych stanów związanych cięższych kwarków pięknych. Stawiana hipoteza przewidywała że, w zależności od energii wiązania, niektóre z tego typu stanów powinny „topnieć” wewnątrz plazmy, podczas gdy inne mogłyby przetrwać w tak ekstremalnych temperaturach. Eksperyment CMS zaobserwował wyraźne oznaki takiego zanikania kolejnych stanów „kwarkonium” (stan związany kwark-antykwark).

CMS zaprezentuje istotnie nowe wyniki, nie tylko na temat tłumienia kwarkoniów, ale również na temat ogólnych własności ośrodka na podstawie wielorakich analiz zjawiska zwanego „gaszeniem dżetów”, – powiedział Joseph Incandela kierujący zespołem CMS. – Wkraczamy w nową, ekscytującą epokę precyzyjnych badań silnie oddziaływującej materii przy najwyższych energiach osiąganych w warunkach laboratoryjnych.

Gaszenie dżetów, to zjawisko polegające na rozproszeniu wysokoenergetycznych strumieni cząstek wewnątrz plazmy kwarkowo-gluonowej. Daje to naukowcom szczegółową informację o gęstości i innych własnościach nowego stanu materii. Eksperyment ATLAS zaprezentuje nowe rezultaty dotyczące gaszenia dżetów, które zawierać będą wyniki precyzyjnych analiz fragmentacji dżetów w materii oraz korelacji pomiędzy dżetami a bozonami elektrosłabymi. Te doniesienia uzupełnione będą innymi emocjonującymi wynikami, jak na przykład przełomową obserwacją przepływu plazmy.

Jesteśmy na nowym etapie badań, kiedy to nie tylko obserwujemy zjawisko plazmy kwarkowo-gluonowej, ale również potrafimy dokonywać precyzyjnych pomiarów przy użyciu różnorakich probierzy, – powiedziała Fabiola Gianotti, leader eksperymentu ATLAS. – Prowadzone obecnie badania przyczynią się znacząco do lepszego zrozumienia wczesnego Wszechświata.

Redakcja serwis Kosmonauta.net serdecznie dziękuje Panu Dr Pawłowi Brückman de Renstrom z IFJ PAN za przesłany tekst.

Detektor ATLAS (CERN)

Share.

Comments are closed.