Zespół naukowców z Uniwersytetu Budapeszteńskiego (ELTE) zaglądając do wnętrza atomu za pomocą trzech największych akceleratorów cząstek na świecie, pozyskali nowe informacji o tzw. pierwotnej zupie, która wypełniała wszechświat w pierwszej milionowej części sekundy po Wielkim Wybuchu.
Wyniki prowadzonych badań są zaskakujące. Wychodzi bowiem na to, że ruch cząstek w takiej zupie uderzająco przypomina obserwowane współcześnie wzorce zmian klimatycznych, czy wahania kursów giełdowych.
Cofnijmy się jednak o 13,8 miliarda lat do Wielkiego Wybuchu. O samym momencie Wielkiego Wybuchu, powstaniu wszechświata wciąż niewiele wiemy. Zbliżamy się możliwie maksymalnie do tego momentu, ale punktu zerowego, w którym prawa fizyki jeszcze nie istnieją, nie udało nam się jak dotąd zbadać. Wiemy natomiast, że natychmiast po Wielkim Wybuchu, warunki panujące we wszechświecie uniemożliwiały istnienie nie tylko jąder atomowych, ale nawet nukleonów, z których są one zbudowane. Wszechświat w tym pierwszym momencie składał się z pierwotnej zupy kwarków i gluonów. Dopiero gdy wszechświat wkrótce potem się ochłodził, zaczęły powstawać takie cząstki, jakie obserwujemy obecnie, tj. protony i neutrony.
Czytaj także: Dziwna gwiazda zaskakuje naukowców. Jej parametry trudno wyjaśnić
Naukowcy obecnie są w stanie odtworzyć taką zupę kwarkowo-gluonową w akceleratorach cząstek. To tam w momencie zderzenia dwóch jąder atomowych powstają na chwilę niewielkie krople materii kwarkowej. Oczywiście takie krople natychmiast zamieniają się tym samym procesie co na początku wszechświata w materię zwykłą.
Naukowcy zwracają jednak uwagę na fakt, iż właściwości materii kwarkowej są różne w zależności od warunków w niej panujących. Te z kolei bezpośrednio zależą od energii zderzeń, do których dochodzi w akceleratorach cząstek. To one bezpośrednio wpływają na ciśnienie i temperatury wewnątrz materii kwarkowej. Skoro tak, to naukowcy postanowili przeanalizować różnice między materią kwarkową wytwarzaną w zderzeniach jąder atomowych w trzech różnych akceleratorach cząstek, różniących się generowaną energią zderzeń. W toku eksperymentu przeanalizowano materię kwarkową powstającą w akceleratorach RHIC w Stanach Zjednoczonych oraz SPS i LHC w Szwajcarii. Swoją drogą, warto tutaj zwrócić uwagę na to, że jest to na tyle istotna kwestia, że aktualnie buduje się nowe akceleratory cząstek, m.in. w Japonii i Niemczech, aby prowadzić właśnie takie eksperymenty. Już teraz naukowcy próbują się dowiedzieć, jak taka materia kwarkowa powstająca w różnych akceleratorach przechodzi przemianę w materię zwykłą. To kwestia kluczowa dla zrozumienia natury rzeczywistości, bowiem aktualnie wiemy o tym naprawdę niewiele. Jesteśmy na razie na poziomie fundamentalnej wiedzy np. o oddziaływaniach silnych, ale wciąż jeszcze bardzo daleko nam do jej faktycznego zrozumienia i opisania.
Naukowcy z Uniwersytetu Budapeszteńskiego przez ostatnie kilka lat brali udział w eksperymentach prowadzonych we wszystkich trzech wymienionych wyżej akceleratorach cząstek. Zebrane przez nich dane pozwoliły stworzyć w miarę kompleksowy obraz geometrii materii kwarkowej. Nie były to badania proste, bowiem trzeba było do nich wykorzystać specjalne techniki femtoskopowe, w których strukturę materii kwarkowej określa się na podstawie korelacji wynikających z kwantowej natury falowej wytwarzanych cząstek.
Czytaj także: Plazma kwarkowo-gluonowa w końcu odkryje swoje tajemnice?
Jak wskazuje Marton Nagy, jeden z autorów opracowania, przez ostatnie kilkadziesiąt lat stosowano femtoskopię w oparciu o założenie, że materia kwarkowa ma rozkład normalny opisany krzywą Gaussa. Zamiast takiego rozkładu naukowcy postanowili wykorzystać do badań proces Lévy’ego, stosowany powszechnie w wielu innych dziedzinach nauki. Wystarczy tutaj wspomnieć, że opisuje on chociażby poszukiwanie pożywienia przez drapieżniki morskie, czy na przykład zmiany klimatyczne.
Jak na razie naukowcy stosunkowo dobrze zbadali proces zamarzania materii kwarkowej oraz następujący po nim proces jej przemiany w materię kwarkową. Na tej podstawie udało się opisać tzw. promień femtoskopowy. Problem jednak w tym, że ów promień femtoskopowy silnie zależy od przyjętej w trakcie badań geometrii materii kwarkowej. Stąd i kluczowe staje się określenie właściwej rzeczywistej geometrii tego unikalnego ośrodka. Jeżeli bowiem rozkład Gaussa nie sprawdza się w przypadku materii kwarkowej, to należy uciec się do procesu Lévy’ego. Rozkład Lévy’ego opiera się natomiast na tzw. wykładniku Lévy’ego, który będzie bezpośrednio wpływał na naturę przemiany materii kwarkowej w materię barionową.
Aktualnie zespół naukowców z Uniwersytetu Budapeszteńskiego gromadzi dane badawcze w czterech różnych eksperymentach badawczych prowadzonych w trzech różnych akceleratorach cząstek generujących różne poziomy energii. Owe dane z czasem dadzą nam wgląd w geometrię i możliwe fazy materii kwarkowej.