Επιστήμονες κατάφεραν να προσεγγίσουν τις συνθήκες που επικρατούσαν στα πρώτα μικροδευτερόλεπτα της ύπαρξης του Σύμπαντος

Επιστήμονες από τρία μεγάλα ερευνητικά ιδρύματα, το University of Barcelona, το Indian Institute of Technology και το Texas A\&M University, κατάφεραν να προσεγγίσουν τις συνθήκες που επικρατούσαν στα πρώτα μικροδευτερόλεπτα της ύπαρξης του Σύμπαντος. Μέσα από ένα πείραμα που αναπαράγει ακραίες καταστάσεις σε συγκρουστήρες σωματιδίων, η ομάδα κατάφερε να φέρει στο φως σημαντικές πληροφορίες για τη συμπεριφορά βαρέων σωματιδίων και τις δυνάμεις που καθορίζουν τη δομή και την εξέλιξη του Σύμπαντος.

Η σχετική μελέτη εστιάζει σε υποατομικά σωματίδια που περιέχουν βαρέα κουάρκ, (charm και bottom). Αυτοί οι τύποι κουάρκ είναι οι θεμελιώδεις δομικοί λίθοι ορισμένων από τα πιο βαριά σωματίδια του σύμπαντος, όπως οι μεσόνια D και B. Η μελέτη αυτών των βαρέων αδρονίων προσφέρει ένα μοναδικό παράθυρο στην κατανόηση της ύλης υπό συνθήκες που δεν μπορούν να αναπαραχθούν φυσικά στη Γη.

Για να φτάσουν τόσο κοντά στις συνθήκες του πρώιμου σύμπαντος, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ισχυρότατους συγκρουστήρες, όπως τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN και τον Σχετικιστικό Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων (RHIC) στις ΗΠΑ. Σε αυτές τις εγκαταστάσεις, ατομικοί πυρήνες επιταχύνονται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός και συγκρούονται μεταξύ τους, δημιουργώντας θερμοκρασίες που ξεπερνούν κατά τουλάχιστον 1000 φορές εκείνες που επικρατούν στον πυρήνα του Ήλιου.

Αυτές οι συγκρούσεις δίνουν ζωή σε μια εξαιρετικά θερμή και πυκνή κατάσταση της ύλης, γνωστή ως «πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων». Πρόκειται για ένα είδος υπερθερμασμένης «σούπας» στοιχειωδών σωματιδίων, που υπήρχε μόνο στα πρώτα εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου μετά το Big Bang. Καθώς αυτή η «σούπα» ψύχεται, μετατρέπεται σταδιακά σε «αδρονική ύλη», τη γνώριμη μορφή της ύλης, όπως πρωτόνια και νετρόνια, καθώς και πιο εξωτικά σωματίδια, όπως τα μεσόνια και τα βαρυόνια.

Η μετάβαση από το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων στην αδρονική ύλη είναι καθοριστική για την κατανόηση του πώς η ύλη απέκτησε την οργάνωση και τη σταθερότητα που γνωρίζουμε σήμερα. Τα βαρέα κουάρκ, λόγω της μεγάλης μάζας τους, κινούνται πιο αργά και αλληλεπιδρούν πιο έντονα με το περιβάλλον τους. Έτσι λειτουργούν σαν μικροσκοπικοί ανιχνευτές, αποκαλύπτοντας τις ιδιότητες του θερμού και πυκνού μέσου μέσα από το οποίο ταξιδεύουν.

Η αναλογία που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες είναι απλή αλλά εύγλωττη: φανταστείτε να ρίχνετε μια βαριά μπάλα σε μια γεμάτη πισίνα. Παρά το αρχικό κύμα που προκαλεί, η μπάλα συνεχίζει να επηρεάζεται από το περιβάλλον, χτυπώντας στους λουόμενους και κινούμενη μέσα στο νερό. Το ίδιο ισχύει και για τα βαρέα σωματίδια, συνεχίζουν να αλληλεπιδρούν ακόμη και αφού η πιο έντονη φάση έχει τελειώσει.

Μέχρι σήμερα, η ερευνητική προσοχή επικεντρωνόταν κυρίως στο θερμότατο αρχικό στάδιο του πλάσματος. Η νέα μελέτη όμως αποκαλύπτει ότι η επόμενη φάση, η φάση ψύξης και μετασχηματισμού της ύλης, είναι εξίσου σημαντική. Οι επιστήμονες ανέλυσαν την αλληλεπίδραση των μεσονίων D και B με ελαφρύτερα σωματίδια, εστιάζοντας στο πώς αυτές οι αλληλεπιδράσεις επηρεάζουν μετρήσιμες ποσότητες, όπως τη ροή των σωματιδίων και την απώλεια ενέργειάς τους.

Όπως δηλώνει ο Juan M. Torres-Rincón από το University of Barcelona,

Αυτή η φάση, κατά την οποία το σύστημα έχει ήδη αρχίσει να ψύχεται, εξακολουθεί να παίζει καθοριστικό ρόλο στον τρόπο με τον οποίο τα σωματίδια χάνουν ενέργεια και κινούνται. Αν την αγνοήσουμε, χάνουμε ένα κρίσιμο κομμάτι του παζλ.

Τα ευρήματα αυτής της μελέτης συμβάλλουν καθοριστικά στην προσπάθεια χαρτογράφησης της συμπεριφοράς της ύλης σε ακραίες καταστάσεις και στην κατανόηση των θεμελιωδών δυνάμεων που διέπουν το Σύμπαν. Επιπλέον, ανοίγουν τον δρόμο για μελλοντικά πειράματα σε χαμηλότερες ενέργειες, όπως αυτά που σχεδιάζονται στο Super Proton Synchrotron του CERN και στην υπό κατασκευή εγκατάσταση FAIR στη Γερμανία.

[via]