Strona używa plików cookies więcej

Badania / Nauka / Wydarzenia

„Nature” o źródle materii. Eksperymenty pozwalają zajrzeć do początków Wszechświata

Zajęło zaledwie jedną dziesięciomilionową części sekundy, aby utworzyć otaczającą nas dzisiaj materię – tak uważają eksperci fizyki jądrowej. Po Wielkim Wybuchu, przed 13,7 miliardami lat, kwarki i gluony, elementarne składowe materii, znajdowały się w fazie gorącej plazmy kwarkowo-gluonowej, w której poruszały się prawie swobodnie na makroskopowych odległościach. Następnie, łącząc się, budowały stany związane – w tym protony i neutrony, składniki jąder atomowych, należące do grupy tzw. hadronów, które tworzą otaczającą nas materię.

W aktualnym numerze czasopisma Nature międzynarodowy zespół fizyków opublikował wyniki wieloletnich badań prowadzonych na wielkich zderzaczach hadronów, które opisują zmianę fazy materii w czasie ewolucji Wszechświata. Przede wszystkim uczeni wyznaczyli z dużą precyzją temperaturę „przejścia fazowego” oraz uzyskali wyniki rzucające nowe światło na mechanizm, w jaki sposób plazma kwarkowo-gluonowa, w wyniku ekspansji i oziębiania, przechodzi w stan normalnej materii hadronowej zbudowanej m.in. z protonów, neutronów i jąder atomowych.

Międzynarodowy zespół badawczy składał się z uczonych z laboratorium GSI w Darmstadt, z Uniwersytetów w Heidelbergu i Münster w Niemczech oraz z Uniwersytetu Wrocławskiego.

Pomiary potwierdzają przewidywaną temperaturę przejścia, sto dwadzieścia tysięcy razy wyższą niż wnętrze Słońca

Eksperymenty zderzeń ciężkich jąder przeprowadzane są na Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) z detektorem ALICE, w międzynarodowym laboratorium fizyki cząstek CERN w Genewie. Efektem tych eksperymentów jest produkcja materii, w której cząstki i antycząstki występują z taką samą krotnością, identycznie, jak we wczesnej fazie kreacji Wszechświata według kosmologicznej hipotezy Wielkiego Wybuchu. Poprzez analizę zebranych wyników eksperymentalnych, zespół potwierdził przewidywania teoretyczne, według których przejście pomiędzy plazmą kwarkowo-gluonową i materią hadronową zachodzi w temperaturze 156 megaelektronowoltów. Odpowiada to temperaturze ponad sto dwadzieścia tysięcy razy wyższej, niż panująca we wnętrzu Słońca.

Lekkie jądra pomimo wysokiej temperatury pozostają związane

Fizycy szczegółowo przeanalizowali różne rodzaje produkowanych cząstek i antycząstek. „Nasze badania przyniosły wiele nieoczekiwanych wyników” powiedział prof. Anton Andronic z Westfalskiego Uniwersytetu Wilhelma w Münster. Jednym z nich jest obserwacja, że lekkie jądra i ich antyjądra produkowane są w takiej samej temperaturze, jak protony i antyprotony, chociaż ich energia wiązania jest ponad sto razy mniejsza od temperatury “przejścia fazowego”. Naukowcy przypuszczają, że tak „słabo związane” układy mogą przetrwać wysoką temperaturę dzięki temu, że są produkowane jako kompaktowe stany wielokwarkowe, które formują się jako obserwowane lekkie jądra, dopiero w znacznie niższych temperaturach. Istnienie takich wielokwarkowych stanów związanych było teoretycznie podejrzewane, aczkolwiek bez konkretnych dowodów.

Confinement, charmowe kwarki wędrują w ognistej kuli

Inna, szczególnie ciekawa obserwacja dotyczy znanego od dawna, ale wciąż niezrozumiałego zjawiska tzw. uwięzienia koloru. W normalnych warunkach kwarki są związane wewnątrz hadronów; izolowane kwarki nie mogą samodzielnie istnieć – jest to cecha, którą w fizyce określa się jako „confinement”, czyli uwięzienie koloru. W gęstej materii produkowanej w wysokoenergetycznych zderzeniach jąder, confinement jednak nie obowiązuje. Oczekiwano więc, że stany związane ciężkich kwarków, tzw. stany charmonium, w tym mezony J/psi, zbudowane z jednego charmowego kwarku i jego antykwarku, ulegną dysocjacji w plazmie kwarkowo-gluonowej, zatem ich produkcja będzie malała wraz ze wzrostem energii zderzenia jąder. Ostatnie wyniki eksperymentalne detektorów ALICE w CERN, pokazują jednak, że mezony J/psi są dużo częściej produkowane przy energiach LHC niż np. przy niższych energiach w Relatywistycznym Zderzaczu Ciężkich Jonów (RHIC) w USA. Taki właśnie wynik był przewidziany już osiemnaście lat temu przez dwóch członków zespołu: prof. Petera Braun-Munzingera z GSI oraz prof. Johannę Stachel z Uniwersytetu Heidelberg i dalej rowijany przez cały zespół w kilkunastu wspólnych publikacjach. Obserwowane wzmocnienie produkcji cząstek J/psi w zderzeniach ciężkich jonów przy energiach LHC, nie tylko potwierdza przewidywania zespołu, ale także, jak podkreśla profesor Krzysztof Redlich z UWr, jest kolejnym ważnym krokiem do zrozumienia koncepcji „uwięzienia” silnych oddziaływań cząstek elementarnych, której fundamentalną teorią jest tzw. Chromodynamika Kwantowa.

Eksperymenty w Europejskim Centrum Badań Jądrowych w CERN i Laboratorium BNL w USA

Dane pochodziły z wieloletnich badań w ramach eksperymentu ALICE w CERN, w którym uczeni z 41 krajów badają, na podstawie zderzających się wiązek jąder ołowiu, stan materii Wszechświata zaraz po Wielkim Wybuchu. W wyniku tych zderzeń produkowana jest materia o najwyższej jak dotąd gęstości energii. Tylko w jednym zderzeniu jąder produkowanych jest pond 30 000 cząstek, które są identyfikowane detektorami ALICE. W aktualnych badaniach zespołu istotne były także wyniki z dwóch eksperymentów powadzonych w akceleratorach o niższej energii: Super Protonowego Synchrotronu SPS w CERN oraz Zderzacza Ciężkich Jonów RHIC w amerykańskim laboratorium BNL w USA.


Publikacja powstała w ramach projektów badawczych Sonderforschungsbereichs (SFB) 1225 „Isolierte Quantensysteme und Universalität unter extremen Bedingungen (ISOQUANT)“ finansowanych przez Deutsche Forschungsgemeinschaft w Niemczech oraz grantu Maestro 2013/10/A/ST2/00106 „Krytyczne własności i fenomenologia gęstej materii hadronowej“, finasowanego przez Narodowe Centrum Nauki w Polsce.

Badania prowadzone są także na UWr, w Instytucie Fizyki Teoretycznej w zakładzie Teorii Cząstek Elementarnych, początkowo kierowanym przez prof. dr hab. Jerzego Lukierskiego, następnie przez prof. dr hab. Ludwika Turko. Od kilku lat kierownikiem zakładu jest prof. dr hab. Krzysztof Redlich, członek korespondent PAN. Zakład prowadzi szeroką współpracę międzynarodową oraz uczestniczy w eksperymencie ALICE (w ramach polskiego zespołu kierowanego przez prof. dr hab. T. Siemiarczuka z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Warszawie ) oraz w eksperymencie NA61/SHINE w CERN. W skład Zakładu oprócz fizyków z Polski, wchodzą także uczeni z Niemiec, Japonii, Chin oraz Ukrainy. W Instytucie Fizyki Teoretycznej prowadzone są także intensywne badania fizyki neutrin pod kierunkiem prof. dr hab. Jana Sobczyka, w tym w ramach współpracy z wiodącym eksperymentem T2K w Japonii.

Oryginalna publikacja: Andronic A., Braun-Munzinger P., Redlich K. und Stachel J. (2018): Decoding the phase structure of QCD via particle production at high energy. Nature Sep. 20, 2018 issue; DOI: 10.1038/s41586-018-0491-6.

Dodane przez: Agata Kreska

21 Wrz 2018

ostatnia modyfikacja: 8 Paź 2018