Οι φυσικοί αμήχανοι πάνω σε αναπάντεχα ευρήματα στο 'μικρό' Big Bang

Από την ιστοσελίδα του Πανεπιστημίου Ρότσεστερ, 11 Δεκεμβρίου 2002

Επιστήμονες έχουν δημιουργήσει ένα φαινόμενο που μοιάζει με την κατάσταση που υπήρχε στις αρχικές φάσεις του Big Bang, μια σούπα κουάρκ-γκλουονίων, και βρήκαν ότι κάποιο γεγονός σε αυτό, δεν μοιάζει αρκετά με τον τρόπο που ανέμειναν. Η αλληλεπίδραση της ενέργειας, της ύλης, και της ισχυρής πυρηνικής δύναμης στα εξαιρετικά θερμά πειράματα, που διεξήχθησαν στο Σχετικιστικό Συγκρουστή Βαρέων Ιόντων (RHIC) θεωρήθηκαν στην αρχή ότι ήταν αρκετά κατανοητά, αλλά μια μεγάλη έρευνα έχει αποκαλύψει ότι λείπει κάτι από το μοντέλο των  φυσικών: Πως δουλεύει ο μηχανισμός που δίνει ύλη στην ίδια την μάζα των σωματιδίων, εν τέλει πως δουλεύει το Σύμπαν. Αυτή η εργασία δημοσιεύτηκε στο τελευταίο τεύχος του Physical Review Letters.

"Είναι από τις καταστάσεις που δεν αναμέναμε να συμβούν και η εμφάνισή τους κάτι δείχνει στην επιστήμη", αναφέρει ο Steven Manly, ένας καθηγητής της φυσικής και της αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ και ένας από τους συντάκτες του εγγράφου. "Η βασική φύση των αλληλεπιδράσεων μέσα στο καυτό, πυκνό μέσο, ή τουλάχιστον η εκδήλωση από αυτό, φέρνει αλλαγές ανάλογα με την όψη με την οποία το βλέπεις. Δεν ξέρουμε γιατί. Έχουμε χειριστεί  μερικά νέα κομμάτια του γρίφου και προσπαθούμε ακριβώς να υπολογίσουμε με ποιο τρόπο αυτή η νέα εικόνα θα ταιριάξει μαζί με τις παλιές θεωρίες".

Το RHIC βρίσκεται στη Νέα Υόρκη, και περιλαμβάνει ένα δακτύλιο 4 χιλιομέτρων, ορατό στην αριστερή αεροφωτογραφία.

Στον συγκρουστή RHIC στο Brookhaven της Νέας Υόρκης, ο Manly και οι συνεργάτες του με το πείραμα PHOBOS θέλησαν να εξετάσουν τη φύση της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, χάρις στην οποία τα νουκλεόνια δεσμεύονται μαζί στα άτομα. Σύνθλιψαν μαζί δύο άτομα χρυσού σε ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός σε μία προσπάθεια να δημιουργηθεί αυτό που ονομάζεται  "πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων", μια πολύ πυκνή κατάσταση, όπου η θερμοκρασία είναι δεκάδες χιλιάδες φορές υψηλότερη από τους πυρήνες των καυτότερων αστεριών. Τα σωματίδια σε αυτή την καυτή σούπα του πλάσματος ρέουν προς τα έξω, αλλά όχι χωρίς να συγκρουστούν με άλλα σωματίδια της 'σούπας'. Η ισχύς των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των σωματιδίων στη σούπα καθορίζεται από την ισχυρή πυρηνική δύναμη, ώστε παρατηρώντας προσεκτικά τα σωματίδια που ρέουν προς τα έξω, θα μπορούσαν να αποκαλύψουν αρκετά για το πώς λειτουργεί η ισχυρή πυρηνική δύναμη σε τέτοιες υψηλές θερμοκρασίες.

Για να απλοποιήσουν τις παρατηρήσεις τους, οι ερευνητές έβαλαν να συγκρουστούν τα άτομα χρυσού ελαφρώς έξω από το κέντρο, έτσι ώστε η περιοχή του φαινομένου να μην ήταν κυκλική, αλλά να σχημάτιζε κάτι σαν την μπάλα του Αμερικανικού ποδοσφαίρου στην άκρη της. Αυτό θα εξανάγκαζε τα οποιαδήποτε ρέοντα σωματίδια προς τα έξω, σε μια από τις άκρες της 'μπάλας', να διέλθουν περισσότερα μέσα στην καυτή σούπα από αυτά τα σωματίδια που βγαίνουν πλευρικά. Οι διαφορές στον αριθμό των σωματιδίων που φεύγουν από την άκρη έναντι αυτών που φεύγουν πλευρικά της καυτής ύλης, θα μπορούσαν να αποκαλύψουν κάτι από τη φύση της καυτής ύλης, και ίσως κάτι για την ίδια την ισχυρή πυρηνική δύναμη.

Αλλά κάπου τους περίμενε μια έκπληξη. Εκεί όπου είχαν συγκρουστεί τα άτομα του χρυσού, τα σωματίδια πράγματι πήγαν πιο μακριά για να απομακρυνθούν στις άκρες της 'μπάλας' από ό,τι πλευρικά, όμως πιο μακριά από το ακριβές σημείο της σύγκρουσης, αυτή διαφορά έσβησε. Αυτό το γεγονός ονομάζεται σταθερότητα ώθησης.

"Όταν το παρουσιάσαμε για πρώτη φορά σε μια διάσκεψη στο Stony Brook, το ακροατήριο δεν μπορούσε να το πιστέψει," λέει ο Manly. 'Δεν μπορεί να συμβεί, έλεγαν. Παραβιάζετε τη σταθερότητα ώθησης'. Αλλά έχουμε ελέγξει τα αποτελέσματα μας πάνω από ένα έτος".

Εκτός από την αποκάλυψη ότι οι επιστήμονες χάνουν ένα κομμάτι του γρίφου της φυσικής, τα συμπεράσματα σημαίνουν ότι η πλήρης κατανόηση αυτών των συγκρούσεων θα είναι δυσκολότερη από ό,τι αναμενόταν. Δεν μπορεί πλέον οι φυσικοί να μετρούν μόνο το σημείο εκεί που τα άτομα αρχικά συγκρούστηκαν- πρέπει τώρα να μετρήσουν ολόκληρο το μήκος του πλάσματος, κάνοντας αυτό που ήταν ένα δισδιάστατο πρόβλημα, σε ένα τρισδιάστατο. Όπως λέει και ο Manly, αυτό αυξάνει εντυπωσιακά την πολυπλοκότητα του υπολογισμού, σε κάθε μοντέλο που προσπαθούν να επινοήσουν οι ερευνητές.

Η διαμόρφωση και η κατανόηση τέτοιων συγκρούσεων είναι εξαιρετικά σημαντική επειδή ο τρόπος που το πλάσμα ψύχεται - συμπυκνώνεται όπως ο ατμός που γίνεται νερό - μπορεί να ρίξει κάποιο φως στο μηχανισμό που δίνει ύλη στην ίδια την μάζα του. Με ποιο τρόπο η ίδια μάζα προέρχεται είναι ένα από τα κύρια αινίγματα των φυσικών για δεκαετίες. Ο Manly ελπίζει ότι εάν μπορούμε να καταλάβουμε ακριβώς γιατί το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων συμπεριφέρεται με αυτό τον τρόπο, εμείς μπορεί να κατανοήσουμε καλύτερα μερικά από τα στοιχεία του κόσμου που ζούμε.

"Η κατανόηση όλης της δυναμικής της σύγκρουσης είναι πραγματικά κρίσιμη, προσπαθώντας στην πράξη να πάρουμε τις πληροφορίες που θέλουμε", λέει ο Manly. "Μπορεί να έχουμε μια πραγματική ένδειξη ότι εδώ κάτι το θεμελιώδες είναι διαφορετικό -κάτι που ακριβώς δεν καταλαβαίνουμε".