Κυνηγώντας τη θερμότητα του Big Bang: Ακτινογράφησαν το πρωταρχικό πλάσμα του Σύμπαντος

Μια ομάδα φυσικών με επικεφαλής τον Frank Geurts από το Rice University πέτυχε κάτι που μέχρι πρόσφατα θεωρούνταν σχεδόν αδύνατο: τη μέτρηση της θερμοκρασίας του πλάσματος κουάρκ-γκλουονίων (QGP), της υπέρθερμης, πρωταρχικής μορφής ύλης που πλημμύρισε το Σύμπαν λίγα εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου μετά το Big Bang. Τα ευρήματά τους, ρίχνουν φως σε ένα από τα πιο ακραία και μυστηριώδη στάδια της κοσμικής ιστορίας.

Το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων είναι μια κατάσταση της ύλης όπου τα quarks και τα γκλουόνια (τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία των πρωτονίων και νετρονίων) κυκλοφορούν ελεύθερα, χωρίς να είναι δεσμευμένα μέσα σε σωματίδια. Πρόκειται για την ίδια κατάσταση που επικρατούσε στο νεογέννητο Σύμπαν, όταν η θερμοκρασία ξεπερνούσε τα τρισεκατομμύρια βαθμούς Κέλβιν. Από τότε που η ύλη «πάγωσε» και σχημάτισε τα πρώτα άτομα, η επανεμφάνιση αυτής της εξωτικής μορφής απαιτούσε εξαιρετικά ακραία πειράματα.

Στο Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) του Brookhaven National Laboratory στη Νέα Υόρκη, οι ερευνητές συγκρούουν πυρήνες ατόμων με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός, αναπαράγοντας στιγμιαία τις συνθήκες του πρώιμου Σύμπαντος. Όμως, το να μετρηθεί η θερμοκρασία ενός περιβάλλοντος όπου κανένα όργανο δεν μπορεί να επιβιώσει είναι μια πρόκληση που μοιάζει με επιστημονική φαντασία.

Η λύση ήρθε από τις εκπομπές ζευγών ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου — μικροσκοπικών "θερμικών αποτυπωμάτων" που απελευθερώνονται κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων. Αυτά δεν αλληλεπιδρούν ισχυρά με το πλάσμα, πράγμα που σημαίνει πως μπορούν να διαφύγουν σχεδόν ανεπηρέαστα, μεταφέροντας πληροφορίες για τη θερμότητα και την πυκνότητα του περιβάλλοντος στο οποίο δημιουργήθηκαν.

«Οι μετρήσεις μας ξεκλειδώνουν το θερμικό αποτύπωμα του QGP», εξηγεί ο Geurts, φυσικός και αστρονόμος του Rice University και συντονιστής της ομάδας STAR στο RHIC. «Παρακολουθώντας τις εκπομπές των διλεπτονίων μπορέσαμε να δούμε πότε το πλάσμα έφτασε στο μέγιστο της θερμότητάς του και πώς άρχισε να ψύχεται – μια άμεση ματιά στις συνθήκες που επικρατούσαν μικροδευτερόλεπτα μετά τη γέννηση του Σύμπαντος».

Η τεχνική αυτή ουσιαστικά μετρά τη θερμική ακτινοβολία του πλάσματος σε πραγματικό χρόνο. Οι ερευνητές έπρεπε να απομονώσουν τα σωστά σήματα ανάμεσα σε έναν καταιγισμό σωματιδίων που προκύπτουν από τις συγκρούσεις. Με εκτεταμένες βελτιώσεις στους ανιχνευτές του RHIC, κατάφεραν να εντοπίσουν τα χαμηλής ορμής ζεύγη ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου και να μειώσουν τον «θόρυβο» που έκρυβε τις θερμικές ενδείξεις.

Η ανάλυση αποκάλυψε δύο διακριτές θερμοκρασιακές φάσεις στο πλάσμα. Στην περιοχή χαμηλής μάζας των εκπεμπόμενων διλεπτονίων, η μέση θερμοκρασία έφτασε περίπου τα 2,01 τρισεκατομμύρια Κέλβιν — μια τιμή που αντιστοιχεί στη φάση όπου το πλάσμα μεταβαίνει σταδιακά σε κανονική ύλη. Στην υψηλότερη μάζα, ωστόσο, οι μετρήσεις έδειξαν περίπου 3,25 τρισεκατομμύρια Κέλβιν, αντανακλώντας την αρχική, πιο ενεργειακή φάση του QGP.

Η αντίθεση ανάμεσα στις δύο τιμές δείχνει πως τα διλέπτονα χαμηλής μάζας παράγονται στα τελευταία στάδια της εξέλιξης του πλάσματος, ενώ τα πιο «βαριά» εμφανίζονται νωρίτερα, όταν το πλάσμα βρίσκεται στην κορύφωση της θερμότητας. Για πρώτη φορά, οι επιστήμονες μπόρεσαν να σκιαγραφήσουν τη θερμοκρασιακή καμπύλη του QGP — από τη στιγμή της γέννησής του μέχρι τη σταδιακή ψύξη του.

Αυτή η εργασία μάς δίνει μέσες θερμοκρασίες του QGP σε δύο διακριτά στάδια της εξέλιξής του και σε διαφορετικά χημικά δυναμικά βαρυονίων. Πρόκειται για ένα ουσιαστικό βήμα προς τη χαρτογράφηση των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων της ύλης υπό ακραίες συνθήκες.

Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας δεν περιορίζονται σε μια απλή μέτρηση θερμότητας. Συνεισφέρουν κρίσιμα δεδομένα για τη βελτίωση του λεγόμενου διαγράμματος φάσεων QCD, του θεωρητικού χάρτη που περιγράφει πώς συμπεριφέρεται η ύλη όταν υποβάλλεται σε τεράστιες πιέσεις και θερμοκρασίες. Ο χάρτης αυτός είναι θεμελιώδης για την κατανόηση όχι μόνο του πρώιμου Σύμπαντος, αλλά και εξαιρετικά πυκνών κοσμικών αντικειμένων όπως οι αστέρες νετρονίων.

Με τη νέα αυτή «θερμική τομογραφία» του QGP, οι φυσικοί μπορούν να εκτιμήσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τη διάρκεια ζωής του πλάσματος, τον ρυθμό ψύξης του και τις ιδιότητές του ως ρευστού σχεδόν τέλειας ρευστότητας — μια ιδιότητα που εδώ και χρόνια εκπλήσσει τους ερευνητές.

Ο Geurts το συνοψίζει εύστοχα:

Αυτό που επιτύχαμε δεν είναι απλώς μια μέτρηση θερμοκρασίας. Είναι το άνοιγμα ενός νέου παραθύρου στην ακραία φυσική της ύλης — μια ματιά στις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος, όταν οι νόμοι της φύσης όπως τους ξέρουμε μόλις άρχιζαν να διαμορφώνονται.

[source]