Naukowcy odkrywają tajemnice pierwszych chwil wszechświata

Naukowcy z Uniwersytetu Eötvös Lorand wykorzystują zaawansowane akceleratory cząstek do badania transformacji materii kwarkowej we wczesnym Wszechświecie w materię zwykłą. Ich innowacyjne techniki i wyniki znacząco przyczyniają się do naszego zrozumienia podstawowej fizyki i silnych interakcji. Źródło: SciTechDaily.com

Ich wysiłki skupiały się na mapowaniu „pierwotnej zupy”, która wypełniła wszechświat w pierwszej milionowej sekundy po jego stworzeniu.

Fizycy z Uniwersytetu Eötvös Loránd badali składniki jądra atomowego, korzystając z trzech najbardziej zaawansowanych na świecie akceleratorów cząstek. Ich badania mają na celu zbadanie „pierwotnej zupy”, która istniała we wszechświecie w pierwszych mikrosekundach po jego powstaniu. Co ciekawe, ich odkrycia sugerują, że obserwowany ruch cząstek przypomina poszukiwanie ofiar drapieżników morskich, wzorce zmian klimatycznych i wahania na giełdzie.

Bezpośrednio po wypadku wielka eksplozjaTemperatury były tak ekstremalne, że nie mogły istnieć ani jądra atomowe, ani nukleony, będące ich elementami składowymi. Zatem w tym pierwszym przypadku wszechświat wypełniony był „pierwotną zupą” kwarków i gluonów.

Gdy Wszechświat się ochładzał, ośrodek ten przeszedł proces „zamrażania”, co doprowadziło do powstania cząstek, które znamy dzisiaj, takich jak protony i neutrony. Zjawisko to można powtórzyć na znacznie mniejszą skalę w eksperymentach z akceleratorami cząstek, w których zderzenia dwóch jąder tworzą maleńkie kropelki materii kwarkowej. Kropelki te ostatecznie przekształcają się w zwykłą materię poprzez zamrożenie – transformację znaną badaczom prowadzącym te eksperymenty.

Różnice w materii kwarkowej

Jednakże właściwości materii kwarkowej różnią się ze względu na różnice ciśnienia i temperatury wynikające z energii zderzeń w akceleratorach cząstek. Ta różnica wymaga pomiarów w celu „przeskanowania” materii w akceleratorach cząstek o różnych energiach, takich jak Relatywistyczny Zderzacz Ciężkich Jonów (RHIC) w Stanach Zjednoczonych lub Zderzacz Superprotonów (SPS) i Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w Szwajcarii.

„Ten aspekt jest o tyle istotny, że na całym świecie, np. w Niemczech czy Japonii, powstają nowe akceleratory, specjalnie na potrzeby takich eksperymentów. „Być może najważniejszą kwestią jest to, w jaki sposób następuje przejście pomiędzy fazami: na powierzchni może pojawić się punkt krytyczny mapa fazowa.”, wyjaśnia Mati Chanad, profesor fizyki na Wydziale Fizyki Atomowej na Uniwersytecie Eötvös Lorand (ELTE).

Montaż zrekonstruowanych śladów rzeczywistych zdarzeń kolizyjnych oraz zdjęcia zaangażowanych detektorów w Brookhaven National Laboratory i CERN. Źródło: Montaż wykonany przez Máté Csanáda / Uniwersytet Eötvösa Loránda Oryginalne zdjęcia montażu: STAR és PHENIX: Brookhaven National Laboratory i CMS és NA61: CERN

Długoterminowym celem badań jest pogłębienie wiedzy na temat oddziaływań silnych rządzących oddziaływaniami w materii kwarkowej i jądrach atomowych. Nasz obecny poziom wiedzy w tej dziedzinie można porównać do zrozumienia przez ludzkość elektryczności w epoce Volty, Maxwella czy Faradaya. Chociaż mieli pojęcie o podstawowych równaniach, opracowanie technologii, które głęboko zmieniły życie codzienne, od żarówki po telewizory, telefony, komputery i Internet, wymagało wiele pracy eksperymentalnej i teoretycznej. Podobnie nasza wiedza na temat silnych interakcji jest wciąż na wczesnym etapie, dlatego badania mające na celu ich zbadanie i zmapowanie mają kluczowe znaczenie.

Innowacje w femtoskopii

Badacze z projektu ELTE brali udział w eksperymentach na każdym z wymienionych powyżej akceleratorów, a ich prace w ciągu ostatnich kilku lat pozwoliły uzyskać kompleksowy obraz geometrii materii kwarkowej. Osiągnęli to poprzez zastosowanie technik femtoskopowych. Technika ta wykorzystuje korelacje wynikające z nieklasycznej, kwantowej natury falowej wytwarzanych cząstek, które ostatecznie ujawniają femtometryczną strukturę ośrodka, który jest źródłem emisji cząstek.

Naukowcy z Uniwersytetu Eötvös zbierają dane na potrzeby eksperymentu STAR w Brookhaven National Laboratory. Źródło: Máté Csanád / Uniwersytet Eötvös Loránd

„W poprzednich dziesięcioleciach femtokopię wykonywano przy założeniu, że materia kwarkowa ma rozkład normalny, tj. kształt Gaussa występujący w wielu miejscach w naturze” – wyjaśnia Marton Nagy, jeden z głównych badaczy grupy.

Jednak węgierscy badacze wykorzystali proces Levy'ego, znany również w różnych dyscyplinach naukowych, jako bardziej ogólny model, który dobrze opisuje poszukiwanie ofiar przez drapieżniki morskie, procesy giełdowe, a nawet zmiany klimatyczne. Charakterystyczną cechą tych procesów jest to, że w pewnych momentach ulegają one bardzo dużym wahaniom (na przykład, gdy rekin szuka pożywienia na nowym obszarze) i w takich przypadkach zamiast rozkładu normalnego (Gaussa) może wystąpić rozkład włókien.

Implikacje i rola ELTE

Badania te są niezwykle istotne z kilku powodów. Po pierwsze, jedną z najczęściej badanych cech zamarzania materii kwarkowej w materię hadronową jest promień femtoskopowy (zwany także promieniem HBT, w nawiązaniu do znanego efektu Hanbury'ego-Browna i Twyssa). W astronomii) wywodzi się z pomiarów femtoskopowych. Miara ta zależy jednak od przyjętej geometrii ośrodka. Jak podsumowuje Daniel Kinsis, pracownik naukowy tej grupy ze stopniem doktora: „Jeśli założenie Gaussa nie jest optymalne, najdokładniejsze wyniki tych badań można uzyskać jedynie przy założeniu Lévy’ego. Wartość wykładnika Lévy’ego, która charakteryzuje rozkład Lévy’ego, może Rzucają także światło na naturę przejścia fazowego, a zatem jego zmienność wraz z energią zderzenia zapewnia wgląd w różne fazy materii kwarkowej.

Badacze ELTE biorą czynny udział w czterech eksperymentach: NA61/SHINE w akceleratorze SPS, PHENIX i STAR w RHIC oraz CMS w LHC. Grupą NA61/SHINE ELTE kieruje Yoshikazu Nagai, a grupą CMS – Gabriela Pastor; oraz grupy RHIC założone przez Máté Csanáda, który koordynuje również badania femtoskopowe w ELTE.

Grupy te wnoszą znaczący wkład w powodzenie eksperymentów o różnym charakterze, od opracowywania odczynników po gromadzenie i analizę danych. Uczestniczą także w wielu projektach teoretycznych i badaniach. „Wyjątkowość naszych badań w zakresie femtoskopii polega na tym, że przeprowadza się je w czterech eksperymentach w trzech akceleratorach cząstek, co daje nam szeroki wgląd w geometrię i możliwe fazy materii kwarkowej” – mówi Matej Chanad.

Odniesienie: „A New Method for Calculated Bosego-Einsteina funkcje korelacji z interakcją stanu końcowego Coulomba”, Marton Nagy, Aleta Borza, Matej Csanad i Daniel Kinsis, 8 listopada 2023 r., Europejski Dziennik Fizyczny C.
doi: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y