Οι επιστήμονες αποκαλύπτουν τα μυστικά των πρώτων στιγμών του σύμπαντος

Οι προσπάθειές τους επικεντρώθηκαν στη χαρτογράφηση της «αρχέγονης σούπας» που γέμισε το σύμπαν στο πρώτο εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά τη δημιουργία του.

Οι φυσικοί από το Πανεπιστήμιο Eötvös Loránd μελέτησαν τα συστατικά του ατομικού πυρήνα χρησιμοποιώντας τους τρεις πιο προηγμένους επιταχυντές σωματιδίων στον κόσμο. Η έρευνά τους στοχεύει να εξερευνήσει την «αρχέγονη σούπα» που υπήρχε στο σύμπαν τα πρώτα μικροδευτερόλεπτα μετά τη δημιουργία της. Είναι ενδιαφέρον ότι τα ευρήματά τους υποδηλώνουν ότι η παρατηρούμενη κίνηση των σωματιδίων μοιάζει με την αναζήτηση θηραμάτων θαλάσσιων αρπακτικών, τα πρότυπα κλιματικής αλλαγής και τις διακυμάνσεις των χρηματιστηρίων.

Αμέσως μετά το δυστύχημα η μεγάλη έκρηξηΟι θερμοκρασίες ήταν τόσο ακραίες που δεν μπορούσαν να υπάρχουν ούτε ατομικοί πυρήνες ούτε νουκλεόνια, τα δομικά τους στοιχεία. Ως εκ τούτου, σε αυτή την πρώτη περίπτωση, το σύμπαν γέμισε με μια «αρχέγονη σούπα» από κουάρκ και γκλουόνια.

Καθώς το σύμπαν ψύχθηκε, αυτό το μέσο υποβλήθηκε σε μια διαδικασία «πήξης», που οδήγησε στο σχηματισμό των σωματιδίων που γνωρίζουμε σήμερα, όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Αυτό το φαινόμενο αναπαράγεται σε πολύ μικρότερη κλίμακα σε πειράματα επιταχυντών σωματιδίων, όπου οι συγκρούσεις μεταξύ δύο πυρήνων δημιουργούν μικροσκοπικά σταγονίδια ύλης κουάρκ. Αυτά τα σταγονίδια μετατρέπονται τελικά σε συνηθισμένη ύλη μέσω της κατάψυξης, μια μεταμόρφωση που είναι γνωστή στους ερευνητές που διεξάγουν αυτά τα πειράματα.

Διαφορές στην ύλη κουάρκ

Ωστόσο, οι ιδιότητες της ύλης κουάρκ διαφέρουν λόγω των διαφορών στην πίεση και τη θερμοκρασία που προκύπτουν από την ενέργεια σύγκρουσης στους επιταχυντές σωματιδίων. Αυτή η διαφορά απαιτεί μετρήσεις για τη «σάρωση» της ύλης σε επιταχυντές σωματιδίων διαφορετικών ενεργειών, όπως ο Σχετικιστικός Επιταχυντής Βαρέων Ιόντων (RHIC) στις Ηνωμένες Πολιτείες ή ο Επιταχυντής Υπερπρωτονίων (SPS) και ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στην Ελβετία.

“Αυτή η πτυχή είναι τόσο σημαντική που δημιουργούνται νέοι επιταχυντές σε όλο τον κόσμο, για παράδειγμα στη Γερμανία ή την Ιαπωνία, ειδικά για τέτοια πειράματα. “Ίσως το πιο σημαντικό ερώτημα είναι πώς συμβαίνει η μετάβαση μεταξύ των φάσεων: μπορεί να εμφανιστεί ένα κρίσιμο σημείο στο χάρτης φάσης.», εξηγεί ο Mati Chanad, Καθηγητής Φυσικής στο Τμήμα Ατομικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Eötvös Lorand (ELTE).

Ένα μοντάζ ανακατασκευασμένων ιχνών από πραγματικά γεγονότα πρόσκρουσης και φωτογραφίες των εμπλεκόμενων ανιχνευτών, στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven και στο CERN. Πηγή: Montage made by Máté Csanád / Eötvös Loránd University Πρωτότυπες εικόνες του μοντάζ: STAR és PHENIX: Brookhaven National Laboratory and CMS és NA61: CERN

Ο μακροπρόθεσμος στόχος της έρευνας είναι να εμβαθύνει την κατανόησή μας για την ισχυρή αλληλεπίδραση που διέπει τις αλληλεπιδράσεις στην ύλη κουάρκ και στους ατομικούς πυρήνες. Το τρέχον επίπεδο γνώσεών μας σε αυτόν τον τομέα μπορεί να παρομοιαστεί με την κατανόηση της ανθρωπότητας για τον ηλεκτρισμό στην εποχή του Volta, του Maxwell ή του Faraday. Ενώ είχαν μια ιδέα για τις βασικές εξισώσεις, χρειάστηκε πολλή πειραματική και θεωρητική δουλειά για να αναπτύξουν τις τεχνολογίες που άλλαξαν βαθιά την καθημερινή ζωή, από τον λαμπτήρα μέχρι τις τηλεοράσεις, τα τηλέφωνα, τους υπολογιστές και το Διαδίκτυο. Ομοίως, η κατανόησή μας για την ισχυρή αλληλεπίδραση βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο στάδιο, καθιστώντας την έρευνα για την εξερεύνηση και τη χαρτογράφηση της ζωτικής σημασίας.

Καινοτομίες στη Femtoscopy

Οι ερευνητές της ELTE συμμετείχαν σε πειράματα σε κάθε έναν από τους επιταχυντές που αναφέρθηκαν παραπάνω και η δουλειά τους τα τελευταία χρόνια οδήγησε σε μια ολοκληρωμένη εικόνα της γεωμετρίας της ύλης κουάρκ. Αυτό το πέτυχαν εφαρμόζοντας φεμφτοσκοπικές τεχνικές. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιεί συσχετισμούς που προκύπτουν από τη μη κλασική, κβαντική κυματική φύση των παραγόμενων σωματιδίων, οι οποίες τελικά αποκαλύπτουν τη δομή του femtometer του μέσου, το οποίο είναι η πηγή της εκπομπής σωματιδίων.

Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Eötvös εργάζονται για τη συλλογή δεδομένων για το πείραμα STAR στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven. Πίστωση: Máté Csanád / Πανεπιστήμιο Eötvös Loránd

«Στις προηγούμενες δεκαετίες, η φεμοτυπία πραγματοποιήθηκε με την υπόθεση ότι η ύλη κουάρκ ακολουθεί μια κανονική κατανομή, δηλαδή ένα σχήμα Gauss που βρίσκεται σε πολλά μέρη στη φύση», εξηγεί ο Marton Nagy, ένας από τους επικεφαλής ερευνητές της ομάδας.

Ωστόσο, οι Ούγγροι ερευνητές έχουν στραφεί στη διαδικασία του Levy, επίσης γνωστή σε διάφορους επιστημονικούς κλάδους, ως ένα γενικότερο πλαίσιο, το οποίο είναι μια καλή περιγραφή της αναζήτησης θηραμάτων από θαλάσσια αρπακτικά, των διαδικασιών στο χρηματιστήριο, ακόμη και της κλιματικής αλλαγής. Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα αυτών των διεργασιών είναι ότι σε ορισμένες στιγμές υφίστανται πολύ μεγάλες παραλλαγές (για παράδειγμα, όταν ένας καρχαρίας ψάχνει για τροφή σε μια νέα περιοχή), και σε τέτοιες περιπτώσεις μπορεί να συμβεί μια κατανομή ινών αντί για μια κανονική (Gaussian) κατανομή.

Επιπτώσεις και ρόλος της ΕΛΤΕ

Η έρευνα αυτή έχει μεγάλη σημασία για πολλούς λόγους. Πρώτον, ένα από τα πιο μελετημένα χαρακτηριστικά της κατάψυξης της ύλης κουάρκ σε αδρονική ύλη είναι η φεμτοσκοπική ακτίνα (ονομάζεται επίσης ακτίνα HBT, σε σχέση με το γνωστό φαινόμενο Hanbury-Brown και Twyss). Στην αστρονομία), προέρχεται από φετομοσκοπικές μετρήσεις. Ωστόσο, αυτό το μέτρο εξαρτάται από την υποτιθέμενη γεωμετρία του μέσου. Όπως συνοψίζει ο Daniel Kinsis, ένας μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ομάδα, «Εάν η υπόθεση Gauss δεν είναι βέλτιστη, τα πιο ακριβή αποτελέσματα από αυτές τις μελέτες μπορούν να ληφθούν μόνο με την υπόθεση Lévy. Η τιμή του εκθέτη Lévy, που χαρακτηρίζει την κατανομή Lévy, μπορεί Ρίχνουν επίσης φως στη φύση της μετάβασης φάσης, και έτσι η διακύμανσή της με την ενέργεια σύγκρουσης παρέχει εικόνα για τις διάφορες φάσεις της ύλης κουάρκ.

Οι ερευνητές της ELTE συμμετέχουν ενεργά σε τέσσερα πειράματα: NA61/SHINE στον επιταχυντή SPS, PHENIX και STAR στο RHIC και CMS στον LHC. Η ομάδα NA61/SHINE της ELTE διευθύνεται από τον Yoshikazu Nagai και η ομάδα CMS διευθύνεται από την Gabriela Pastor. και τις ομάδες RHIC που ιδρύθηκαν από τον Máté Csanád, ο οποίος συντονίζει επίσης τη φεμφτοσκοπική έρευνα στην ELTE.

Αυτές οι ομάδες συμβάλλουν σημαντικά στην επιτυχία των πειραμάτων σε διάφορες ικανότητες, από την ανάπτυξη αντιδραστηρίων έως την απόκτηση και ανάλυση δεδομένων. Συμμετέχουν επίσης σε πολλά θεωρητικά έργα και έρευνες. «Αυτό που είναι μοναδικό για την έρευνά μας στη φετομοσκόπηση είναι ότι εκτελείται σε τέσσερα πειράματα σε τρεις επιταχυντές σωματιδίων – δίνοντάς μας μια ευρεία άποψη για τη γεωμετρία και τις πιθανές φάσεις της ύλης κουάρκ», λέει ο Matej Chanad.

Αναφορά: «Μια νέα μέθοδος για τον υπολογισμό των συναρτήσεων συσχέτισης Bose-Einstein με την αλληλεπίδραση τελικής κατάστασης Coulomb» από τους Marton Nagy, Aleta Borza, Matej Csanad και Daniel Kinsis, 8 Νοεμβρίου 2023, European Physical Journal C.
doi: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y