Πειραματικά αποτελέσματα που συνηγορούν στην ύπαρξη μιάς τέταρτης μορφής ύλης, το πλάσμα κουάρκ - γκλουονίων, ανακοινώθηκαν πρόσφατα από το Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών (CERN) στη Γενεύη.

Τα κουάρκ είναι τα συστατικά των πρωτονίων και των νετρονίων στούς ατομικούς πυρήνες, ενώ τα γκλουόνια είναι τα σωματίδια - φορείς των δυνάμεων που κρατούν τα κουάρκ δεσμευμένα μέσα στην πυρηνική ύλη. Οι δυνάμεις αυτές είναι τόσο ισχυρές, ώστε τα κουάρκ δεν μπορούν να υπάρξουν απομονωμένα έξω από τα πρωτόνια και τα νετρόνια.
Σύμφωνα όμως με τις υπάρχουσες θεωρίες, σε συνθήκες πολύ υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης, σχηματίζεται μία νέα μορφή πυρηνικής ύλης, το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων. Μέσα σ' αυτό, τα κουάρκ είναι ουσιαστικά ελεύθερα και κινούνται σε μεγάλες αποστάσεις αντί να είναι περιορισμένα, όπως συμβαίνει στην συνηθισμένη ύλη.
Οι φυσικοί πιστεύουν ότι τέτοιες συνθήκες επικρατούσαν στο πρώτο δευτερόλεπτο κιόλας της δημιουργίας του σύμπαντος, αμέσως μετά την Μεγάλη Εκρηξη (Big Bang), γιατί τότε οι συνθήκες από άποψη θερμοκρασίας και πυκνότητας ενέργειας ήταν ανάλογες. Η ύλη του σύμπαντος ήταν στη μορφή του πλάσματος και στη συνέχεια ψύχθηκε ακολουθώντας τη διαστολή του σύμπαντος και άρχισε να σχηματίζει σβόλους από χωρισμένα πλέον quark, που είναι τα γνωστά μας σωματίδια.
Το πείραμα στη CERN (στην πραγματικότητα πρόκειται για ένα ολόκληρο project που ξεκίνησε από το 1993 και περιελάμβανε μία σειρά από πειράματα στα οποία συμμετέχουν και Ελληνικές ερευνητικές ομάδες) κατά κάποιον τρόπο ανασυστήνει μία πολύ πρωταρχική φάση του σύμπαντος και γι' αυτόν το λόγο πήρε το χαριτωμένο όνομα «Little Bang».
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 αφήσουν βαρέα ιόντα 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.

Τα πρώτα αποτελέσματα είναι εξαιρετικά ενδιαφέροντα, και ανοίγουν ένα νέο κεφάλαιο στην μελέτη και κατανόηση της φύσης σε θεμελιώδες επίπεδο.

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.

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.
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.

Προσομοίωση της σύγκρουσης δύο ιόντων μολύβδου

Πραγματικές συγκρούσεις ιόντων μολύβδου στο πείραμα ΝΑ49

Πραγματικές συγκρούσεις ιόντων μολύβδου στο πείραμα ΝΑ49

Λόγω μεγάλης ενέργειας τη στιγμή της σύγκρουσης δημιουργούνται τα βαριά σωματίδια  J/Ψ, των οποίων η μοίρα εξαρτάται από το τι θα συμβεί παρακάτω.

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια μέσα στα ιόντα μολύβδου θα χωριστούν, δημιουργώντας μια πυκνή σούπα σωματιδίων

Εάν η ενέργεια είναι αρκετά υψηλή, ακόμα και τα κουάρκ και τα γλουόνια που είναι κλειδωμένα μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια θα δραπετεύσουν, και τότε θα έχει δημιουργηθεί το  πλάσμα Κουάρκ Γλουονίων. Εάν συμβεί αυτό, μερικά J/Ψ θα καταστραφούν, όμως άλλα σωματίδια, παράξενα κουάρκ, θα δημιουργηθούν. Επίσης, σωματίδια που μετατρέπονται σε ζεύγη ηλεκτρονίων θα δημιουργηθούν πιο εύκολα

Καθώς το Πλάσμα Κουάρκ Γλουονίων χάνει θερμότητα, συμπυκνώνεται σε συνήθη ύλη, περίπου όπως το νερό υγροποιείται από τον ατμό. Μετρώντας πόσα J/Ψ, πόσα σωματίδια που περιέχουν παράξενα κουάρκ και πόσα ζεύγη ηλεκτρονίων προκύπτουν από τη σύγκρουση, οι φυσικοί είναι σε θέση να πουν αν δημιουργήθηκε Πλάσμα Κουάρκ Γλουονίων, και να μάθουν πώς εξελίχθηκε αυτό. Μέχρι τώρα, οι αποδείξεις λένε ότι έχει δημιουργηθεί Πλάσμα Κουάρκ Γλουονίων, αλλά πιο λεπτομερείς μελέτες στο CERN  προφανώς θα πρέπει να περιμένουν το LHC