Επιβεβαιώθηκε η σύσταση της σούπας του Big Bang

Από την ιστοσελίδα του NewScientist, 13 Ιουνίου 2003

Ένα μικροδευτερόλεπτο μετά από το Big Bang, όταν η πύρινη βολίδα του νεογέννητου σύμπαντος είχε διάμετρο μερικά μόνο χιλιόμετρα, όλη η ύλη βρισκόταν σε μια ειδική κατάσταση.

Οι θεμελιώδεις μονάδες της ύλης - τα κουάρκ μαζί με τα ηλεκτρόνια - υπήρχαν ελεύθερα σε μια απίστευτα καυτή, πυκνή σούπα. Καθώς το σύμπαν συνεχώς αυξανόταν και ψυχόταν, τα κουάρκ βρέθηκαν δεσμευμένα μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια.

Μια απίστευτη πίεση και θερμοκρασία δημιούργησαν την αρχέγονη σούπα κουάρκ- γκλουονίων

Αυτό είναι το σενάριο που οι ατομικοί φυσικοί σκέφτονται στην έναρξη του σύμπαντος. Για να το αποδείξουν, ομάδες φυσικών στους επιταχυντές σωματιδίων, από όλο τον κόσμο, συναγωνίζονται για να αναδημιουργήσουν αυτό που ονομάζεται αρχέγονη σούπα - το πλάσμα των κουάρκ μαζί με τα γκλουόνια.

Οι φυσικοί στο Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN), κοντά στη Γενεύη, ισχυρίστηκαν ότι έχουν δει (Φεβρουάριος 2000) σημάδια ενός τέτοιου πλάσματος μετά από τη μεταξύ τους σύνθλιψη ιόντων μολύβδου. Αλλά δεν είχαν πειστεί όλοι και το πείραμα σταμάτησε προτού να μπορέσουν να παρακολουθήσουν οι ερευνητές τα αποτελέσματά τους. Τώρα, όμως, ομάδες στο Σχετικιστικό Συγκρουστή Βαρέων Ιόντων (RHIC) στο Brookhaven της Νέας Υόρκης, θεωρούν ότι τους αξίζει το βραβείο.

Ψυχόμενος πίδακας

Η ομάδα του RHIC προκάλεσε μια βίαιη σύγκρουση μιας δέσμης πυρήνων χρυσού με μια δέσμη πυρήνων δευτερίου - πυρήνες δηλαδή που περιέχουν μόνο ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο - καθώς και με μια άλλη δέσμη πυρήνων χρυσού. Όταν ένας πυρήνας χρυσού συγκρούεται με άλλον πυρήνα χρυσού, τα πρωτόνια και νετρόνια που είναι τα συστατικά των δύο πυρήνων, πιστεύεται ότι αποσυνθέτονται και σχηματίζουν ένα πλάσμα γκλουονίων-κουάρκ, αλλά όταν ένας πυρήνας χρυσού συγκρούεται με ένα πυρήνα δευτερίου θα παραμείνει άθικτος. 

Οι ερευνητές του Brookhaven μπόρεσαν να παρατηρήσουν αυτή τη διαφορά στη συμπεριφορά των πυρήνων, συγκρίνοντας τον αριθμό των πιδάκων παραγομένων από  κουάρκ οι οποίοι δημιουργούνται κατά τις αντίστοιχες συγκρούσεις.

Οι πίδακες των κουάρκ παράγονται όταν ένα ζεύγος από κουάρκ με υψηλή ενέργεια εκτινάσσεται ελεύθερο μέσα από ένα πρωτόνιο ή νετρόνιο και το καθένα από αυτά τα ελεύθερα κουάρκ παράγει ένα πίδακα από συνηθισμένα σωματίδια. Όπως αναμενόταν οι επιστήμονες παρατήρησαν λιγότερους πίδακες από κουάρκ κατά τις συγκρούσεις χρυσού - χρυσού, παρά κατά τις συγκρούσεις χρυσού - δευτερίου. Πιστεύουν ότι αυτό συμβαίνει διότι η ενέργεια των πιδάκων που "λείπουν" έχει απορροφηθεί από το πυκνό πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων. 

Έτσι με τη βοήθεια του μεγάλου εξοπλισμού τους πυροδότησαν ιόντα χρυσού το ένα πάνω στο άλλο, δημιουργώντας έτσι 10 φορές την ενέργεια που απαιτείται πιθανώς για να γίνει το πλάσμα των κουάρκ με τα γκλουόνια. Κατά τη διάρκεια της τελευταίας φοράς που έτρεξε το πείραμα, το 2001, και οι τέσσερις από τους ανιχνευτές του RHIC - STAR, PHENIX, BRAHMS και PHOBOS  - είδαν ένα ιδιαίτερο φαινόμενο που το ονόμασαν ψυχόμενος πίδακας.

Κανονικά, όταν συγκρούονται δύο ιόντα διασκορπίζουν δύο πίδακες σωματιδίων προς αντίθετες κατευθύνσεις, όπως οι μπάλες του μπιλιάρδου. Αλλά στο πείραμα με τα ιόντα του χρυσού που συγκρούστηκαν μεταξύ τους, μερικές φορές παρατηρήθηκε από τους ανιχνευτές μόνο ένας πίδακας. Αυτό ταιριάζει με αυτό που αναμενόταν από μια σούπα ελεύθερων κουάρκ - εάν εμφανιστεί μια σύγκρουση κοντά στην άκρη του πλάσματος, το ένα σωματίδιο θα συγκρουόταν χαλαρά ενώ το άλλο θα απορροφιόταν από το πλάσμα.

Αλλά οι θεωρητικοί αναρωτήθηκαν εάν ο πίδακας που έλειπε θα μπορούσε να κάνει με την υψηλή ενέργεια των πυρήνων του χρυσού, παρά με οποιοδήποτε νέο είδος ύλης. Για να το αποδείξουν, οι ομάδες έτρεξαν το πείραμα πάλι, βάζοντας να συγκρουστούν αυτή τη φορά ιόντα χρυσού με τα μικρότερα ιόντα του δευτερίου. Αν και η ενέργεια των ιόντων του χρυσού παρέμενε όπως πριν, η συνολική ενέργεια δεν θα ήταν αρκετά υψηλή για να δημιουργήσει το πλάσμα των κουάρκ-γκλουονίων.

Νέα φυσική

Τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος αναλύονται ακόμα, αλλά η απάντηση που έλαβαν είναι σαφής. "Δεν βλέπουμε την καταστολή του πίδακα στις συγκρούσεις δευτερίου-χρυσού", λέει η Barbara Jacek από τον ανιχνευτή PHENIX, ένα αποτέλεσμα που επιβεβαιώνεται από τους ερευνητές και στους άλλους ανιχνευτές.

Αυτό δείχνει ότι η καταστολή του πίδακα πρέπει να είναι οφείλεται στο πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων, όχι στα ιόντα του χρυσού. Έτσι οι ομάδες είναι βέβαιες ότι στις συγκρούσεις χρυσού-χρυσού δημιούργησαν το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων για πρώτη φορά.

"Είναι ασύλληπτο το γεγονός ότι βλέπουμε στις συγκρούσεις ιόντων χρυσού-χρυσού ένα εξαιρετικά καυτό αέριο από συνηθισμένη ύλη", λέει ο Thomas Ulrich από το STAR. "Πρόκειται για μια νέα φυσική".

Οι ερευνητές προγραμματίζουν περισσότερα πειράματα για να είναι απολύτως σίγουροι για το αποτέλεσμά τους. Προγραμματίζουν επίσης να πραγματοποιήσουν συγκρούσεις σε χαμηλότερες ενέργειες με την ελπίδα να δουν τη μετάβαση από τη συνηθισμένη ύλη στο πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων.

Το CERN θα συνεχίσει τον αγώνα δρόμου να δημιουργήσει το πρώτο πλάσμα από κουάρκ και γκλουόνια, όταν το πρόγραμμα ALICE, με βαριά ιόντα θα τρέξει στον Μεγάλο Συγκρουστή Αδρονίων το 2007. Οι ενέργειες των συγκρούσεων στο ALICE θα είναι κατά 30 φορές μεγαλύτερες απ' ότι στο RHIC.