Ένας ωκεανός από κουάρκς

Πηγή:Physics News Updated, Απρίλιος 2005

Πριν λίγους μήνες οι πυρηνικοί φυσικοί απέδειξαν ότι η φύση της ύλης του σύμπαντος στα πρώτα μικροδευτερόλεπτα μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη,  ήταν ένα υγρό από κουάρκ και γλουόνια. Αυτή η τεράστια ανακάλυψη προέρχεται από ένα πείραμα που πραγματοποιήθηκε τα προηγούμενα πέντε χρόνια στο Σχετικιστικό Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων (RHIC), έναμ γιγάντιο 'θραυστήρα' των πυρήνων, που βρίσκεται στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven, εκεί όπου οι επιστήμονες έχουν δημιουργήσει μια μικρή βερσιόν του σύμπαντος ανάμεσα στις συγκρούσεις σωματιδίων υψηλής ενέργειας.

Το RHIC δεν είναι φυσικά ένα τηλεσκόπιο που κοιτάζει στον ουρανό, αλλά ένας υπόγειος επιταχυντή στο Long Island. Εντούτοις, είναι στην πραγματικότητα ένα όργανο ακρίβειας της κοσμολογίας αφού εξετάζει τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος, μια άγρια εποχή πολύ πριν από την εποχή των πρώτων ατόμων (που σχηματίστηκαν περίπου 400.000 χρόνια μετά από το big bang), πριν από τους πρώτους σύνθετους πυρήνες όπως είναι το ήλιο (που σχηματίστηκε ένα περίπου λεπτό μετά από το big bang), πριν ακόμη διαμορφωθούν ακόμα και τα πρωτόνια (δέκα μικροδευτερόλεπτα  μετά από το big bang).

Αργότερα, καθώς το σύμπαν έγινε πιο ψυχρό, τα κουάρκς  εμφανίζονται ενωμένα σε ομάδες δύο ή τριών κουάρκς. Αυτοί οι σχηματισμοί λέγονται μεσόνια και βαρυόνια, αντίστοιχα, και διατηρούνται σε συνοχή με τη βοήθεια κάποιων σωματιδίων, των γκλουονίων, που είναι σωματίδια ανταλλαγής των ισχυρών δυνάμεων και συγχρόνως είναι οι φορείς της ισχυρής δύναμης μεταξύ των κουάρκ. Το βαρυόνια (για παράδειγμα τα πρωτόνια και τα νετρόνια), ανήκουν στα αδρόνια, που είναι οι κανονικές δομικές μονάδες οποιουδήποτε πυρήνα.

Θα μπορούσαν άραγε τα αδρόνια να συνθλιβούν στα συστατικά τους, τα κουάρκς, μέσω βίαιων συγκρούσεων μεταξύ σωματιδίων; Θα μπορούσε ένας πυρήνας να σπάσει και να 'ξεχυθούν' τα κουάρκς και τα γλουόνια από μέσα;

Αυτός λοιπόν ήταν και ο στόχος των επιστημόνων στο RHIC.

plasma gluons-quarksΠλάσμα από κουάρκς και γκλουονίων μετά από τη σύγκρουση δύο πυρήνων χρυσού

Ας δούμε τι συνέβη εκεί. Στο RHIC επιταχύνθηκαν δύο ακτίνες ιόντων χρυσού, χωρίς όμως κανένα ηλεκτρόνιο, μέσα σε διάφορες ζώνες του κυκλικού επιταχυντή.  Κάθε πυρήνας χρυσού είναι μια δέσμη 197 πρωτονίων και νετρονίων, ενώ ο κάθε ένας από αυτούς πυροδοτήθηκε με μια ενέργεια μέχρι 100 GeV. Επομένως, όταν συναντιούνται τα δύο βλήματα κατά μέτωπο, συγκρουόμενα κεντρικά, η συνολική ενέργεια σύγκρουσης είναι 40 TeV (40 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ). Από αυτή, τα 25 TeV  χρησιμεύουν ως ενέργεια δημιουργίας της βολίδας (του συσσωματώματος των δύο ιόντων) εκ της οποίας μπορούν να δημιουργηθούν νέα σωματίδια. Πράγματι σε πολλές συγκρούσεις χρυσού-χρυσού γεννιούνται από εκείνη την βολίδα τουλάχιστον 10.000 νέα σωματίδια. Ενώ από αυτή την έκρηξη σωματιδίων έχουμε εικόνες του τι συνέβη μετά από την δημιουργία της βολίδας,  αλλά όχι και από την ίδια τη βολίδα.

Τα σωματίδια που γεννιούνται δίνουν στοιχεία για τον καθορισμό των ιδιοτήτων αυτής της βολίδας. Για να βρουν αυτά τα συντρίμμια στα οποία διασπάστηκε η βολίδα, οι ανιχνευτές στο RHIC πρέπει να είναι ευκίνητοι και πολύ γρήγοροι. Η ελεύθερη ζωή των κουάρκς είναι εφήμερη, κρατάει μόνο 10-24 δευτερόλεπτα. Το μέγεθος της βολίδας είναι περίπου 5 femtometer (δηλαδή 5*10-15 μέτρα), η πυκνότητά του 100 φορές αυτής ενός συνηθισμένου πυρήνα, και η θερμοκρασία του 2 τρισεκατομμύρια βαθμούς Kelvin ή σε ενεργειακές μονάδες 175 MeV. Το RHIC χτίστηκε λοιπόν για να δημιουργήσει αυτή την βολίδα.

Αλλά ήταν αυτή η βολίδα το πολύ-αναμενόμενο πλάσμα κουάρκς μαζί με σωματίδια γκλουονίων; Τα στοιχεία έδειξαν απροσδόκητα ότι η βολίδα δεν έμοιαζε καθόλου με αέριο. Για κάποιο λόγο, οι ισχυροί πίδακες μεσονίων και πρωτονίων που αναμένονταν να βγαίνουν από τη βολίδα, καταστέλλονταν.

Τελευταία όμως και για πρώτη φορά μετά από τις αρχικές πυρηνικές συγκρούσεις στον επιταχυντή RHIC κατά το 2000, καθώς και με πολλά στοιχεία που υπάρχουν προς διάθεση και οι τέσσερις ομάδες ανιχνευτών που αναπτύσσουν δραστηριότητες στο εργαστήριο, έχουν συγκλίνει προς μια συναινετική άποψη. Θεωρούν ότι η βολίδα είναι ένα υγρό από κουάρκς και γλουόνια που αλληλεπιδρούν ισχυρώς, κι όχι ένα αέριο από κουάρκς και γλουόνια που αλληλεπιδρούν ασθενώς. Τα συμπεράσματα αυτά των επιστημόνων του RHIC αναφέρθηκαν ήδη τον Απρίλιο σε μια συνεδρίαση της Αμερικανικής Ένωσης Φυσικής (aps) στην Τάμπα της Φλόριδας.

Ο φυσικός Samuel Aronson του Brookhaven είπε ότι έχοντας καθιερώσει τη φύση του υγρού από κουάρκς-γλουόνια του προ-πρωτονιακού σύμπαντος, οι φυσικοί στο RHIC περίμεναν να δουν τις ιδιότητες του υγρού, όπως είναι η θερμοχωρητικότητα του και η αντίδρασή του στα κύματα κλονισμού. Το υγρό είναι πυκνό αλλά φαίνεται να ρέει με πολύ λίγο ιξώδες. Ρέει τόσο ελεύθερα που προσεγγίζει το ιδανικό, ή το τέλειο ρευστό, το είδος που κυβερνάται από τους καθιερωμένους νόμους της υδροδυναμικής. Τουλάχιστον στις ιδιότητες ροής του το υγρό από κουάρκς είναι επομένως ένα κλασσικό υγρό και δεν πρέπει να συγχέεται  με έναν υπέρρευστο υγρό, που οι ιδιότητες της ροής (συμπεριλαμβανομένου και του μηδενικού ιξώδους) υπαγορεύονται από την κβαντομηχανική.

Ένας από τους λόγους για την διστακτικότητα των φυσικών του RHIC να κάνουν μια οριστική δήλωση για το υγρό των κουάρκσ-γκλουονίων ήταν η ανησυχία σχετικά με το ζήτημα εάν το πυρηνικό υγρό, που παρατηρήθηκε, αποτελούνταν αληθινά από ελεύθερα κουάρκς και γλουόνια ή από κουάρκς περιορισμένα μέσα στα αδρόνια, ή ίσως ακόμη και ένα μίγμα κουάρκς και αδρονίων. Σύμφωνα με τον William Zajc του Πανεπιστημίου της Κολούμπια η εικόνα που έχουμε από τα σωματίδια που εκτινάσσονται από τη βολίδα, συμπεριλαμβανομένων των προκαταρκτικών δεδομένων όσον αφορά τα βαρύτερα σωματίδια με γοητευτικά κουάρκς - όπως είναι τα D μεσόνια, υποστηρίζουν την υγρή εικόνα των κουάρκς.

Για να συνοψίσουμε τα αποτελέσματα των ερευνών πάνω στις συγκρούσεις που έγιναν στον RHIC είναι ότι το σύμπαν μικροδευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη φαίνεται να αποτελείται από ένα νέο υγρό από κουάρκς και γλουόνια.


Οι πιο πολλοί φυσικοί και αστρονόμοι πιστεύουν σήμερα πως ο χώρος, χρόνος και όλη η ύλη και η ακτινοβολία σχηματίσθηκαν κατά τη διάρκεια του big bang κάπου 15 δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Μια υπόθεση που ακόμη προκαλεί στη Φυσική και στην Αστρονομία - ίσως η τελευταία πρόκληση - είναι η   κατανόηση του πως το σύμπαν στο οποίο ζούμε σήμερα αναπτύχθηκε από την κοσμική φλόγα που δημιουργήθηκε στο big bang. Καθώς η κατανόηση των νόμων της φυσικής βελτιώνεται,  είμαστε ικανοί να κοιτάξουμε προς το παρελθόν και να ξετυλίξουμε τη δομή του πρώιμου σύμπαντος και την επακόλουθη ανάπτυξη του.

Ο κύριος όγκος της ύλης που βλέπουμε σήμερα στο Σύμπαν βρίσκεται στους πυρήνες των ατόμων που αποτελούνται από νετρόνια και πρωτόνια. Γνωρίζουμε πως αυτά τα νουκλεόνια φτιάχνονται από μικρότερα σωματίδια που καλούνται κουάρκς. Ενα νετρόνιο περιέχει δύο "down" κουάρκς και ένα "up" quark, ενώ ένα πρωτόνιο περιέχει δύο 'up' κουάρκς και ένα 'down' quark. Επειδή ένα up quark (u) έχει φορτίο τα 2/3 του e, όπου ­e είναι το φορτίο του ηλεκτρονίου, και ένα down quark (d) έχει το 1/3 του e, τα νετρόνια είναι ουδέτερα και τα πρωτόνια φέρουν θετικό φορτίο

Τα κουάρκς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με την ισχυρή πυρηνική δύναμη, που μεταδίδεται μέσω αφόρτιστων σωματιδίων που καλούνται γλουόνια (gluons). Είναι η ισχυρή πυρηνική δύναμη που συγκρατεί τα κουάρκς μαζί στα νετρόνια, πρωτόνια και τα άλλα αδρόνια (το συλλογικό όνομα για τα σωματίδια που περιέχουν κουάρκς). Τα βαρύτερα κουάρκς ­ που ονομάζονται strange, charm, beauty και top κουάρκς ­ ήσαν επίσης παρόντα στις πρώτες φάσεις του πρώιμου σύμπαντος.

Πάντως, αυτή δεν είναι η πλήρης ιστορία επειδή κάθε υλικό σωματίδιο έχει και το αντι-σωματίδιο του, με την ίδια μάζα και το αντίθετο φορτίο. Πιστεύεται όμως πως σχεδόν ίσες ποσότητες ύλης και αντι-ύλης δημιουργήθηκαν στο big bang, και πως η περισσότερη αντι-ύλη, άν όχι όλη, εξαφανίστηκε με την αντίστοιχη ύλη καθώς το σύμπαν ψυχόταν και διαστελλόταν. Αυτή η εξαΰλωση, εξαφάνιση ξεκίνησε περίπου 40 μsec μετά το big bang.

Μόλις ένα μικρό κλάσμα της ύλης επέζησε για να φτιάξει την ύλη του σύμπαντος  όπως το βλέπουμε γύρω μας σήμερα. Κατανοώντας τις προελεύσεις της μικρής αλλά εξαιρετικής σπουδαιότητας ασυμμετρίας μεταξύ της ύλης και αντι-ύλης, και κατανοώντας τις αιτίες γιατί το σύμπαν κυριαρχείται από την ύλη, είναι  κλειδί προκλήσεων για τους φυσικούς. Μια άλλη πρόκληση, και αυτό είναι το θέμα του άρθρου, είναι να κατανοήσουμε πως το υλικό των quark-­gluon που επέζησε από το πρώιμο σύμπαν περιορίστηκε στο εσωτερικό των νετρονίων και πρωτονίων.

Δείτε και τα σχετικά άρθρα
Οι πρώτες ενδείξεις για το πλάσμα Κουάρκς-Γκλουονίων;
Δημιούργησαν τη μεγαλύτερη πυκνότητα ύλης σε εργαστήριο
Δημιουργώντας τη 'σούπα' του Big Bang