Για πρώτη φορά, οι φυσικοί εντόπισαν καθαρά ίχνη ότι ένα μεμονωμένο quark αφήνει πίσω του «κύματα» μέσα στο quark–gluon plasma. Το εύρημα δείχνει ότι αυτή η εξαιρετικά θερμή μορφή ύλης, που υπήρχε στα πρώτα μικροδευτερόλεπτα του Σύμπαντος, δεν είναι απλώς ένα πλήθος ανεξάρτητων σωματιδίων: αντιδρά συλλογικά σαν υγρό.
Ένα υγρό που κράτησε ελάχιστα
Στις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το Σύμπαν ήταν τόσο θερμό ώστε τα quarks και τα gluons δεν ήταν εγκλωβισμένα μέσα σε πρωτόνια και νετρόνια. Κυκλοφορούσαν ελεύθερα σε μια κατάσταση ύλης που ονομάζεται quark–gluon plasma και επέζησε μόνο για ένα απειροελάχιστο χρονικό διάστημα, πριν ψυχθεί και σχηματίσει τα σωματίδια που γνωρίζουμε σήμερα.
Οι ερευνητές αναπαράγουν αυτή τη συνθήκη στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων του CERN, συγκρούοντας βαριά ιόντα, όπως πυρήνες μολύβδου, σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός. Οι συγκρούσεις δημιουργούν μικροσκοπικές σταγόνες του αρχέγονου πλάσματος, οι οποίες διαρκούν λιγότερο από ένα τετράκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου.
Το ίχνος ενός quark
Η νέα μελέτη, από ερευνητές του MIT και της συνεργασίας CMS, αξιοποίησε έναν τρόπο να απομονώσει την επίδραση ενός μόνο quark. Σε ορισμένες συγκρούσεις, ένα quark παράγεται σχεδόν αντίθετα από ένα μποζόνιο Z. Το μποζόνιο Z αλληλεπιδρά ελάχιστα με το πλάσμα και λειτουργεί έτσι ως καθαρό «σημάδι» για την κατεύθυνση του quark.
Η ομάδα ανέλυσε περίπου 13 δισεκατομμύρια συγκρούσεις βαρέων ιόντων και εντόπισε περίπου 2.000 γεγονότα με παραγωγή μποζονίου Z. Χαρτογραφώντας την κατανομή ενέργειας γύρω από αυτά τα γεγονότα, οι επιστήμονες είδαν επαναλαμβανόμενα μοτίβα από πιτσιλιές, κυματισμούς και στροβιλισμούς στην πλευρά του quark.
Το αποτέλεσμα συμφωνεί με την εικόνα ενός quark που κινείται μέσα σε ένα πυκνό ρευστό και παρασύρει μέρος του πλάσματος μαζί του. Προηγούμενες αναζητήσεις επικεντρώνονταν συχνά σε ζεύγη quark–antiquark, όμως τα δύο ίχνη μπορούσαν να αλληλοκαλύπτουν το ένα το άλλο. Η αναφορά σε ένα μποζόνιο Z βοήθησε να γίνει ορατό το αποτύπωμα του μεμονωμένου quark.
Τι μαθαίνουμε για το αρχέγονο Σύμπαν
Το quark–gluon plasma έχει ήδη περιγραφεί ως «σχεδόν τέλειο» υγρό, με πολύ μικρή εσωτερική τριβή. Η άμεση παρατήρηση των wakes προσθέτει ένα κρίσιμο κομμάτι σε αυτή την εικόνα: δείχνει ότι το πλάσμα μπορεί να επιβραδύνει ένα γρήγορο quark και να αντιδρά ως ενιαίο ρευστό, αντί να συμπεριφέρεται σαν σύνολο ασύνδετων συγκρούσεων.
Το μέγεθος των κυμάτων, η ταχύτητα διάδοσής τους, η απόσταση που διανύουν και ο χρόνος μέχρι να σβήσουν μπορούν να αποκαλύψουν ιδιότητες του πλάσματος. Οι ερευνητές σκοπεύουν να εφαρμόσουν την ίδια τεχνική σε περισσότερα δεδομένα συγκρούσεων, ώστε να εξετάσουν λεπτομερέστερα το υλικό που γέμισε το Σύμπαν στα πρώτα του μικροδευτερόλεπτα.
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Physics Letters B και βασίζεται σε δεδομένα του πειράματος CMS στον LHC. Δεν «φωτογραφίζει» άμεσα το αρχέγονο Σύμπαν· ανασυνθέτει τις ιδιότητές του από τα μοτίβα των σωματιδίων που απομένουν μετά από κάθε εξαιρετικά σύντομη σύγκρουση.