Οι φυσικοί κοιτάζουν μέσα σε μια βολίδα της κβαντικής ύλης
Ένα χρυσό γαμήλιο συγκρότημα θα λιώσει περίπου στους 1.000 βαθμούς Κελσίου και θα εξατμιστεί στους 2.800 βαθμούς περίπου, αλλά αυτές οι αλλαγές είναι μόνο η αρχή του τι μπορεί να συμβεί στην ύλη. Ανεβάστε τη θερμοκρασία σε τρισεκατομμύρια βαθμούς και τα σωματίδια βαθιά μέσα στα άτομα αρχίζουν να μετατοπίζονται σε νέες, μη ατομικές διαμορφώσεις. Οι φυσικοί προσπαθούν να χαρτογραφήσουν αυτές τις εξωτικές καταστάσεις — που πιθανώς συνέβησαν κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης και πιστεύεται ότι προκύπτουν από συγκρούσεις άστρων νετρονίων και ισχυρές κρούσεις κοσμικών ακτίνων — για τη διορατικότητα που παρέχουν στις πιο έντονες στιγμές του σύμπαντος.
Τώρα ένα πείραμα στη Γερμανία που ονομάζεται φασματόμετρο διηλεκτρονίου υψηλής αποδοχής (HADES) έβαλε ένα νέο σημείο σε αυτόν τον χάρτη.
Για δεκαετίες, οι πειραματιστές έχουν χρησιμοποιήσει ισχυρούς επιταχυντές για να συνθλίψουν χρυσό και άλλα άτομα τόσο σφιχτά που τα στοιχειώδη σωματίδια μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια τους, που ονομάζονται κουάρκ, αρχίζουν να τραβούν τους νέους τους γείτονες ή (σε άλλες περιπτώσεις) να πετούν εντελώς ελεύθερα. Επειδή όμως αυτές οι φάσεις της λεγόμενης «ύλης κουάρκ» είναι αδιαπέραστες στα περισσότερα σωματίδια, οι ερευνητές έχουν μελετήσει μόνο τα επακόλουθά τους. Τώρα, ωστόσο, με την ανίχνευση σωματιδίων που εκπέμπονται από την ίδια τη βολίδα της σύγκρουσης, η συνεργασία HADES έχει πάρει μια πιο άμεση ματιά στο είδος της ύλης κουάρκ που πιστεύεται ότι γεμίζει τους πυρήνες των συγχωνευόμενων άστρων νετρονίων.
"Είναι ένα σημείο σε μια περιοχή όπου κανείς άλλος δεν έχει αγγίξει από όσο ξέρω", δήλωσε ο Gene Van Buren, ένας φυσικός στο Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) στη Νέα Υόρκη, ο οποίος ανιχνεύει μια ποικιλία ύλης κουάρκ υψηλότερης ενέργειας που ονομάζεται πλάσμα κουάρκ-γλουονίου. "Αυτό είναι αρκετά συναρπαστικό."
Οι φυσικοί έχουν κατανοήσει λίγο πολύ πώς η ισχυρή πυρηνική δύναμη συνδέει τα κουάρκ μεταξύ τους σε σύνθετα σωματίδια όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια (το καθένα από μια τριάδα κουάρκ) από τη δεκαετία του 1970. Αλλά η θεωρία της ισχυρής δύναμης, που ονομάζεται κβαντική χρωμοδυναμική (QCD), είναι τόσο περίπλοκη που κανείς δεν μπόρεσε να προβλέψει πώς ακριβώς θα συμπεριφερθεί η ύλη σε υψηλές θερμοκρασίες και πυκνότητες. Οι θεωρητικοί έχουν αναπτύξει μια σειρά από σχήματα προσέγγισης που ισχύουν σε ορισμένες καταστάσεις, αλλά οι μεγάλες αβεβαιότητες καθιστούν δύσκολη την επέκτασή τους. Πειράματα όπως το HADES στοχεύουν να καλύψουν χειροκίνητα τα κενά που αφήνει η θεωρία.
Με την έμμεση μέθοδο ανίχνευσης της ύλης κουάρκ, οι ερευνητές περιμένουν μέχρι να κρυώσει μια βολίδα και η ενέργειά της να μετατραπεί σε ένα μείγμα σωματιδίων - ένα σημείο που ονομάζεται «πάγωμα». Στη συνέχεια συμπεραίνουν την προηγούμενη θερμοκρασία από τους σχετικούς αριθμούς κάθε τύπου σωματιδίου. Αλλά τα σωματίδια που γεννήθηκαν στο πάγωμα δεν μπορούν να μας πουν πολλά για την προέλευση της βολίδας, έτσι η συνεργασία του HADES αξιοποίησε ένα διαφορετικό φαινόμενο:Σχεδόν μόλις σχηματιστεί η ύλη κουάρκ, αρχίζει να δημιουργεί βραχύβια σύνθετα σωματίδια που ονομάζονται rho μεσόνια, το καθένα που αποτελείται από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ. Τα μεσόνια rho μετατρέπονται αμέσως σε φευγαλέα «εικονικά» φωτόνια, καθένα από τα οποία διασπάται σε ένα ηλεκτρόνιο και το δίδυμο της αντιύλης, το ποζιτρόνιο. Αυτά τα σωματίδια μεταφέρουν πληροφορίες για τις πρώτες στιγμές της ύλης μέχρι τον ανιχνευτή HADES.
"Δεν υπάρχουν άλλα παρατηρήσιμα στοιχεία που θα μπορούσαν πραγματικά να φέρουν τόσο πλούσιες πληροφορίες", δήλωσε η Tetyana Galatyuk, ένα από τα 200 μέλη της συνεργασίας HADES.
Το πείραμα, που αναφέρθηκε αυτή την εβδομάδα στο Nature Physics , είναι το πρώτο που μέτρησε τη θερμοκρασία της ύλης κουάρκ υπό συνθήκες παρόμοιες με το εσωτερικό μιας σύγκρουσης αστέρα νετρονίων, όπου τα περισσότερα σωματίδια είναι ύλη (σε αντίθεση με την αντιύλη). Τα σχήματα προσέγγισης QCD παραπαίουν σε περιβάλλοντα όπου η αντιύλη και η ύλη δεν υπάρχουν σε περίπου ίσες ποσότητες, επομένως αυτή η ζώνη παραμένει ένα κενό σημείο στη θεωρία.
Όταν τα αστέρια νετρονίων —οι εξαιρετικά πυκνοί πυρήνες των νεκρών αστεριών — σπειροειδώς και συγκρούονται, ταρακουνούν το ύφασμα του χωροχρόνου και προκαλούν εκρήξεις που ονομάζονται kilonovas. Για να δημιουργήσει παρόμοιες συνθήκες, η ομάδα χτύπησε τα άτομα χρυσού που κινούνταν με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός σε έναν χρυσό στόχο για να δημιουργήσει ένα συνονθύλευμα εκατοντάδων πρωτονίων και νετρονίων τόσο πυκνό που η θεωρία δεν μπορούσε να προβλέψει με βεβαιότητα τι θα συνέβαινε. Η έκρηξη που προέκυψε ολοκληρώθηκε αστραπιαία και ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων συσσωρεύτηκαν στον ανιχνευτή που περιβάλλει το σημείο της συντριβής.
Όταν οι ερευνητές σχεδίασαν τις ενέργειες αυτών των ζευγών (προσεκτικά προεξοφλώντας τα ζεύγη που είναι γνωστό ότι προέρχονται από σωματίδια άλλα από τα μεσόνια rho), διαπίστωσαν ότι οι ενέργειες σχημάτισαν μια εκθετικά πτώση καμπύλης. Εάν τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια είχαν προέλθει από επίμονα σωματίδια rho με χαρακτηριστική ενέργεια ή μάζα, θα υπήρχε ένα χτύπημα στην καμπύλη. Το λείο σχήμα του ήταν ένα αναμφισβήτητο σημάδι ότι η ύλη είχε πάρει μια εξωτική μορφή.
Η κλίση της καμπύλης μέτρησε τη θερμοκρασία της βολίδας σε εκατοντάδες χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από εκείνη του κέντρου του ήλιου και η ομάδα υπολόγισε ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια της έφτασαν σε πυκνότητα ανάλογη με το αποτέλεσμα του στριμώγματος της Νέας Υόρκης σε έναν κύβο ζάχαρης. Σε αυτή την πυκνότητα τα πρωτόνια και τα νετρόνια ουσιαστικά επικαλύπτονται, είπε ο Galatyuk. Δεν διασπώνται σε ελεύθερα κουάρκ, όπως συμβαίνει στο πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων (μια φάση ύλης κουάρκ που πιστεύεται ότι γέμισε το σύμπαν στα πρώτα μικροδευτερόλεπτά του), αλλά αντίθετα αρχίζουν να συσσωρεύονται, δρώντας περισσότερο σαν σμήνη των έξι ή εννέα κουάρκ παρά τρίδυμα.
Επιβεβαιώνοντας ότι αυτή η θερμοκρασία και η πυκνότητα αντιστοιχούν σε μια εξωτική κατάσταση της ύλης, το αποτέλεσμα του HADES θα βοηθήσει τους θεωρητικούς να βαθμονομήσουν τους κατά προσέγγιση υπολογισμούς του QCD και να διευρύνουν το εύρος των καταστάσεων όπου μπορούν να εφαρμοστούν τα σχήματα προσέγγισης. Οι συγκρούσεις σε επιταχυντές σωματιδίων όπως το RHIC παράγουν ύλη και αντιύλη σε ίσες ποσότητες, γεγονός που οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει για να επιβεβαιώσουν τις προβλέψεις QCD που περιγράφουν αυτές τις συνθήκες. Αλλά όσο περισσότερα πρωτόνια και νετρόνια υπερτερούν αριθμητικά από τα αντίστοιχα της αντιύλης, τόσο λιγότερο ακριβείς γίνονται αυτοί οι υπολογισμοί. Κοιτάζοντας μια βολίδα πλούσια σε πρωτόνια και νετρόνια, το πείραμα HADES δίνει στους θεωρητικούς μια γεύση από το είδος της φυσικής που θα έπρεπε να περιμένουν όταν υπάρχουν κυρίως αυτά τα σωματίδια τριγύρω.
Ο Van Buren στο RHIC είπε ότι η νέα μέτρηση θα ανατρέψει τα κεφάλια αλλά και θα αυξήσει τα φρύδια. «Γνωρίζω ότι οι άνθρωποι στη συνεργασία μου θα ενδιαφέρονται πολύ να δουν το αποτέλεσμα», είπε, «και επίσης πολύ αμφισβητούμενοι για το πώς έφτασαν στο αποτέλεσμα». Συγκεκριμένα, είπε ότι ο τρόπος με τον οποίο η ομάδα HADES υπολόγισε και αφαίρεσε τα ενοχλητικά ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων που δεν προέρχονταν από σωματίδια rho θα πρέπει να εξεταστεί εξονυχιστικά.
Εάν το αποτέλεσμα είναι σταθερό, θα βοηθήσει τους θεωρητικούς να συντονίσουν τους υπολογισμούς τους για την ακριβή φάση της ύλης κουάρκ που σχηματίζεται μέσα σε αστέρια νετρονίων, τα οποία έχουν χαμηλότερες θερμοκρασίες και ακόμη περισσότερα νετρόνια από τις βολίδες HADES. Ο Galatyuk ελπίζει ότι οι μελλοντικές παρατηρήσεις βαρυτικών κυμάτων από συγκρούσεις άστρων νετρονίων, καθώς και πρόσθετες μετρήσεις από επιταχυντές σωματιδίων, θα βοηθήσουν στην επέκταση και στην επικύρωση τέτοιων θεωριών.
