Ενα παράξενο 'πλάσμα' από quark - To big bang και το μικρο-bang

Αρθρο ανασκόπηση του πλάσματος quarks-γλουονίων Οκτώβριος 2000

To big bang και το μικρο-bang

Στα πρόσφατα χρόνια, οι φυσικοί έχουν βάλει σε πειράματα να συγκρουστούν ολοένα και μεγαλύτεροι πυρήνες, και έχουν κατορθώσει να φθάσουν στις συνθήκες που υπήρχαν αμέσως μετά το big bang. Στις αρχές αυτού του χρόνου (Μάρτιος 2000), οι ερευνητές του CERN, (το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Φυσικής Σωματιδίων στη Γενεύη), δημοσίευσαν τα αποτελέσματα από επτά χωριστά πειράματα, για να δείξουν μια κατάσταση της ύλης στην οποία τα quarks δεν περιορίζονται. Ορισμένα χαρακτηριστικά στα πειράματα του CERN απέδειξαν πέρα από κάθε αμφιβολία πως για μια σύντομη στιγμή φθάσαμε, και πράγματι σημαντικά υπερβήκαμε, τις συνθήκες που απαιτούνται για τον απο-περιορισμό των quark.
Αλλά όμως σχηματίσθηκε η πρωταρχική φάση της ύλης από quarkgluon;

Προσομοίωση της σύγκρουσης δύο ιόντων μολύβδου.

Το ουσιώδες ερώτημα όμως είναι πώς μπορεί κανείς να αναπτύξει τις τόσο υψηλές θερμοκρασίες και ενέργειες που χρειάζονται για να προσομοιάσει το περιβάλλον του πρώιμου σύμπαντος. Οι φυσικοί στη CERN αποφάσισαν να χρησιμοποιήσουν βαρέα ιόντα για να συγκρούονται με στόχους όσο πιο βίαια γινόταν.

Διάλεξαν ιόντα μολύβδου, τα οποία έχουν ατομικό βάρος 208 και μπορούν να τα κάνουν να συγκρούονται σε ενέργειες γύρω στα 3,5TeV. Συγκρούσεις με τόσο μεγάλες ενέργειες προκαλούν πολύ υψηλή ενεργειακή πυκνότητα σε μία σχετικά μικρή περιοχή του χώρου, με αποτέλεσμα να δημιουργηθεί πλάσμα.
Αυτό συμπεριφέρεται στη συνέχεια ως αέριο που υπόκειται σε πολύ υψηλή πίεση. Άμεσα εκρήγνυται και ψύχεται, και τα quark του πλάσματος σχηματίζουν σταθερά αδρόνια. Όσο η πυκνότητα είναι ακόμα υψηλή, τα αδρόνια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους για λίγο, αλλά έπειτα απελευθερώνονται το ένα από το άλλο, διότι η απόσταση δράσης της ισχυρής δύναμης είναι μικρή, και στη συνέχεια ταξιδεύουν προς τους ανιχνευτές.

Μια απεικόνιση της σύγκρουσης υψηλής ενέργειας μεταξύ δύο πυρήνων μολύβδου σε ένα "μικρο bang" που οδηγεί στο σχηματισμό του πλάσματος quarkγλουονίων. Ο πυρήνας του μολύβδου εμφανίζεται επίπεδος επειδή αυτοί υπόκεινται στον μετασχηματισμό Lorentz που οφείλεται στις σχετικιστικές ταχύτητες. Τα πειράματα κατέγραψαν τις χιλιάδες σωματιδίων (που δείχνονται σαν βέλη) που παρήχθησαν όταν η ενέργεια μετατράπηκε σε ύλη σε αυτές τις συγκρούσεις.

Αυτή η νέα κατάσταση της ύλης επέζησε στο εργαστήριο για 4.10^-23 sec πριν αυτό εκραγεί. Το πλάσμα quarkγλουονίων στο πραγματικό big bang διήρκεσε πολύ περισσότερο περίπου 40 microseconds.

Μια άλλη σπουδαία διαφορά είναι πως σχεδόν ίσες ποσότητες ύλης και αντι-ύλης δημιουργήθηκαν στο big bang (που αντιστοιχεί σε μια βαρυονική σχέση 10^-10 ), ενώ στο πλάσμα quarkγλουόνιου που φτιάχθηκε στο εργαστήριο περιείχε περισσότερη ύλη από ό,τι αντι-ύλη (που αντιστοιχεί προς ένα βαρυονικό λόγο του 0.1).

Το γεγονός πως ένα μοναχικό quark δεν έχει παρατηρηθεί σε ένα πείραμα έχει προβληματίσει τους φυσικούς επί σειράν ετών. Ο περιορισμός των quarks μέσα σε ένα μικρό όγκο, όπως είναι το εσωτερικό ενός νετρονίου ή ενός πρωτονίου, κοστίζει ενεργειακά επειδή τα ελαφρά up και down quarks θα προτιμούσαν να καταλάβουν ένα μεγαλύτερο όγκο. Αυτό κάνει τη μάζα ενός πρωτονίου , για παράδειγμα, περίπου 50200 φορές βαρύτερη από την ολική μάζα των τριών quarks στο εσωτερικό του. (Ενα πρωτόνιο έχει μια μάζα των 1.67 x 10^-27 kg = 0.938 GeV c², ενώ η μάζα των δύο απομονωμένων up quarks και ενός down quark θα ήταν μόνο 0.0050.02 GeV c²).
Πράγματι, η περισσότερη αδρανειακή μάζα των πρωτονίων, και νετρονίων, και πρακτικά όλης της ύλης γύρω μας, προέρχεται από τον περιορισμό των quarks, μάλλον παρά από την αδρανειακές τους μάζες.

Οι θεωρητικοί εικάζουν πως τα quarks είναι σταθερά περιορισμένα στα νουκλεόνια μέσω σύνθετων κβαντικών διακυμάνσεων του κενού. Οταν σε μια χωρο-χρονική περιοχή, στην οποία αυτή η εικονική δομή του κενού θα 'διαλυθεί', τότε τα νουκλεόνια και η πυρηνική ύλη όπως τη γνωρίζουμε θα πάψουν να υπάρχουν.
Και μόνο κάτω από αυτές τις συνθήκες, θα σχηματιζόταν το πλάσμα των quarks--γλουονίων, η κατάσταση της ύλης που υπήρχε κάποτε στο πρώιμο σύμπαν.

Οι φυσικοί σήμερα είναι κοντά στο να κατορθώσουν αυτό το στόχο στο εργαστήριο. Ενα σχέδιο για τη παραγωγή ελεύθερων quarks στο εργαστήριο είναι να υπερβούν τις θερμοκρασίες που κυβερνούσαν το σύμπαν 40 μsec μετά τη γέννεση του.
Οι συγκρούσεις μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων δεν μπορούν να εκπληρωθούν σήμερα, και αυτό γιατί δεν μπορεί να δοθεί αρκετή ενέργεια σ' ενα αρκετά τεράστιο όγκο. Σημαίνει λοιπόν αυτό, πως οι φυσικοί δεν μπορούν να σχηματίσουν μια μακροσκοπική 'πύρινη μπάλα' στην οποία τα quarks θα μπορούν να περιπλανώνται ελεύθερα.
Χρειαζώμαστε να βάλουμε προς σύγκρουση πυρήνες μεγάλου ατομικού αριθμού, όπως του μολύβδου, και να επιτρέψουμε έτσι στα νουκλεόνια στο εσωτερικό αυτών των πυρήνων να ζευγαρώσουν μεταξύ τους. Με αυτό το τρόπο αυξάνουμε την πυκνότητα ενέργειας που παραμένει κλειστή στο εσωτερικό της 'πύρινης μπάλας'.
Σαν συμβεί αυτό, τα σωματίδια θα υφίστανται πολλές συγκρούσεις και έτσι θα φθάσουν στη θερμική ισορροπία, όπως συνέβει στο πρώιμο σύμπαν.

Home