Ενα παράξενο 'πλάσμα' από quark - Πώς ανιχνεύεται όμως το πλάσμα;

Αρθρο ανασκόπηση του πλάσματος quarks-γλουονίων Οκτώβριος 2000

Πώς ανιχνεύεται όμως το πλάσμα;

Θεωρητικά αυτό προκύπτει σε μια θερμοκρασία 150-200MeV (που αντιστοιχεί σε μια θερμοκρασία 100.000 φορές τη θερμοκρασία στο κέντρο του Ήλιου) και σε μια ενεργειακή πυκνότητα της τάξης του 1GeV/fm³ (επταπλάσια της πυκνότητας της απλής πυρηνικής ύλης).
Επειδή τώρα δεν είναι δυνατόν να παρατηρηθεί απευθείας το πλάσμα, οι φυσικοί μελετούν τα προϊόντα της διαδικασίας που φτάνουν στους ανιχνευτές, και προσπαθούν να αναδομήσουν τι πρέπει να έχει προηγηθεί προκειμένου να προκύψουν τα συγκεκριμένα προϊόντα.

Πραγματικές συγκρούσεις ιόντων μολύβδου στο πείραμα ΝΑ49

Υπήρχαν διάφορες μέθοδοι για να ανιχνευθούν προϊόντα που σχετίζονταν με το πλάσμα. Σε μία από αυτές οι φυσικοί αναζητούσαν φωτόνια υψηλής ενέργειας, που θα μπορούσαν να αποτελούν «απευθείας» απόδειξη του πλάσματος. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος ήταν αναποτελεσματική, εξαιτίας του υψηλού «θορύβου» από φωτόνια που παράγονται από πολλές διαφορετικές διαδικασίες, και δεν μπορούσαν να ερμηνευθούν με ακρίβεια.

Πραγματικές συγκρούσεις ιόντων μολύβδου στο πείραμα ΝΑ49

Επομένως αυτό που πρέπει να κάνει ο ερευνητής είναι να μελετήσει το μεγάλο αριθμό αδρονίων που καταφτάνουν στους ανιχνευτές και να αναπλάσει τη διαδικασία με την οποία δημιουργήθηκαν. Αφενός οι ερευνητές παρατήρησαν μία χαρακτηριστική μείωση του αριθμού των σωματιδίων j-psi (ενός μεσονίου που αποτελείται από ένα quark τύπου charm [=γοητευτικό] και ένα αντιquark τύπου charm) που οφείλεται θεωρητικά στην παρουσία τους και η οποία επαληθεύτηκε όπως προβλεπόταν θεωρητικά.
Η πιο σημαντική ωστόσο παρατήρηση που ενισχύει τη βεβαιότητα για τη δημιουργία πλάσματος έχει να κάνει με την υψηλή παρουσία από quark του τύπου strange. Πριν από τη σύγκρουση δεν υπήρχαν στα ιόντα μολύβδου καθόλου strange quark παρά μόνο up και down.
Ωστόσο, έπειτα από τη σύγκρουση μπορεί να καταμετρηθεί η ποσότητα των νεοδημιουργηθέντων strange quark. Βρέθηκε ένας αρκετά υψηλός αριθμός για τον οποίο ξέρουμε ότι δεν μπορεί να έχει δημιουργηθεί κατόπιν της σχηματοποίησης των αδρονίων, και ο οποίος πρέπει να ανάγεται σε μία προγενέστερη φάση αλληλεπίδρασης ανάμεσα σε quark, που θα έχει τη μορφή πλάσματος.
Αυτή η αύξηση των strange quark αποτελεί κεντρική πρόβλεψη της θεωρίας και υποστηρίζεται από τα πειραματικά δεδομένα. Αλλά και τα τελικά σχηματοποιημένα αδρόνια παρέχουν πληροφορίες για το τι προηγήθηκε του σχηματισμού τους.

Αναλύοντας την κατανομή των ορμών τους μπορεί να βρεθεί η μέση θερμοκρασία τους, τη στιγμή που έλαβε χώρα η «ελαστική κρούση» με την οποία διαχωρίστηκαν, και βρίσκεται να είναι γύρω στα 100MeV. Αν μάλιστα εξετάσουμε την κατανομή των τύπων των αδρονίων που προκύπτουν από τη σύγκρουση μπορούμε να πάμε πιο πίσω στη στιγμή που αρχίζει η μετάβαση από το πλάσμα στο σχηματισμό αδρονίων και για αυτήν τη φάση βρίσκεται μια θερμοκρασία 180MeV που συμφωνεί με τη θεωρητικά προβλεφθείσα τιμή για τη μέση θερμοκρασία του πλάσματος.

Που και πως να βρούμε ελεύθερα quarks

Για να δημιουργήσουμε τη νέα φάση της ύλης στο εργαστήριο χρειαζώμαστε να υπερβούμε μια ελάχιστη θερμοκρασία ή, ισοδύναμα, ενεργειακή πυκνότητα. Πάντως, ο σύντομος χρόνος ζωής του μικρο-bang κάνει τη μελέτη των ελεύθερων quarks σε αυτό το πλάσμα μια τρομακτική πειραματική πρόκληση. Για να κάνουμε προόδους χρειαζώμαστε να μελετήσουμε διάφορα χαρακτηριστικά που εξαρτώνται από τον σχηματισμό του πλάσματος και να μετρηθούν πολλές μεταβλητές.

Στα εργαστηριακά πειράματα, η χημική σύνθεση του πλάσματος ποικίλλει κατά τη διάρκεια της ζωής του, από τους τύπους ή τα άρώματα' των quarks που 'μαγειρεύονται εκεί μέσα. Τα Up και down quarks εύκολα παράγονται σαν quark ­ αντιquark ζεύγη στη θερμή μπάλα επειδή έχουν μικρές μάζες. Στα τρέχοντα πειράματα του CERN το extra άρωμα του quark είναι η παραξενιά (strangeness).

Με την ευκαιρία η μάζα των παράξενων (strange) quarks και αντιquarks είναι ισοδύναμη με την θερμοκρασία ή την ενέργεια στην οποία τα πρωτόνια, νετρόνια και άλλα αδρόνια διαλύονται στα quarks. Αυτό σημαίνει πως η αφθονία των παράξενων quarks είναι ευαίσθητη προς τις συνθήκες, δομής και δυναμικής της μη περιορισμένης φάσης της ύλης.
Πιο αναλυτικά, διαφορετικά με τα up και down quarks, τα   strange (παράξενα) quarks δεν φέρονται στις αντιδράσεις των συγκρουομένων πυρήνων. Ετσι γνωρίζουμε με σιγουριά πως τα όποια παράξενα quarks ή  αντιquarks που παρατηρήθηκαν σε πειράματα έχουν φτιαχθεί τότε από τις κινητικές ενέργειες των συγκρουομένων πυρήνων

'Αλλες ενδείξεις των μη-περιορισμένων quark έχουν επίσης μελετηθεί. Αρχικά, τα φωτόνια παράγονται 'κατευθείαν' σε αντιδράσεις στο πλάσμα quark­γλουονίων, όπως αυτά που παράγονται στις εξαϋλώσεις των quark­αντιquark, που θεωρούνται πως είναι ένα ισχυρό διαγνωστικό εργαλείο, για το παραδοσιακό (ηλεκτρομαγνητικό) plasma.
Πάντως, όπως είναι χιλιάδες τα σωματίδια που παράγονται στις πυρηνικές συγκρούσεις υψηλών ενεργειών, έτσι και τα φωτόνια του background από τις διασπάσεις των ουδετέρων πιονίων (οι περιοριστικές καταστάσεις των up και down quarks και αντιquarks) είναι πάρα πολλά. Παρατηρήσεις έδειξαν πως αυτά και άλλα 'κατευθείαν' φωτόνια είναι τόσο πολλά που εξαιτίας τους κάνουν πολύ δύσκολο να εξαχθεί το σήμα του φωτονίου που παράγεται κατευθείαν, που είναι μόνο ένα μικρό κλάσμα όλων των φωτονίων που παράγονται.