Otprilike za jedan trilioniti deo nanosekunde, kvarkovi i gluoni su postojali kao slobodne, pojedinačne čestice unutar zagonetne, ultravruće tečnosti. Danas fizičari ovo stanje materije nazivaju neuhvatljivom supstancom, tj. kvark-gluonom plazmom (QGP).
U ekstremnom okruženju primordijalnog univerzuma, fundamentalne čestice koje su sada čvrsto vezane u kompozitne, veće grupe, bile su za veoma, veoma kratak trenutak, slobodne – pojedinačne čestice. Koristeći najnovije akceleratore čestica, istraživači danas mogu od tih, osnovnih čestica tj. kvarkova, ponovo stvoriti stanje fluida, koje nazivamo kvark-gluonska plazma (Quark Gluon Plasma, QGP), a ona nastaje prilikom sudara dva mlaza teških jona visokih energija u detektorima najmćnijih akceleratora. U svojim istraživanju prof. dr Rene Belvid na Univerzitetu Hjuston koristi rezultate ovih eksperimenata da bi istražio fascinantnu dinamiku plazme i proizvoda koji se pojavljuju kao posledica već rečenih sudara. Nalazi njegovog tima sada bacaju novo svetlo na zagonetnu prirodu same materije.
Rene Belvid (University Huston)
Kvarkovi
Kvarkovi su fundamentalni deo najvećeg dela materije u univerzumu, koju možemo posmatrati. Iako se ove čestice mogu javiti u šest mogućih vidova („ukusi”), većina spada u samo dve takve kategorije. To su „gore” (up) i „dole” (down)kvarkovi, koji čine protone i neutrone koji, pak, čine svu materiju što nas okružuje, a sastavni su deo i nas samih.
Najvećim delom istorije univerzuma praktično svi kvarkovi, koliko znamo, postoje u vezanom stanju, tj. vezani su za jedan ili više drugih kvarkova i nikada ne mogu postojati kao slobodne, pojedinačne čestice – sami za sebe. U protonima i neutronima, na primer, postoje u grupama od po tri, koje na okupu drže gluoni, kako nazivamo čestice jake nuklearne sile, putem interakcije sa samim kvarkovima. One pripadaju klasi čestica koje zovemo bozonima. Imaju celobrojni spin, ali nemaju masu i naelektrisanje. Nalaze se u nekoj vrsti tečnog stanja. Smatra se da bi bile idealno mazivo, jer ne stvaraju silu trenja. Tokom proteklih nekoliko decenija fizičari su otkrivali sve veći broj egzotičnijih česticasastavljenih od različitih vrsta i kombinacija kvarkova, ali sve one poštuju pravilo koje nalaže da, bez obzira na kombinaciju i vrstu, svi moraju biti zatvoreni unutar veće čestice čiji su sastavni delovi, tj. uvek su zarobljeni (quark confinement, fenomen koji kaže da pojedinačni kvark nikad ne može biti odstranjen iz hadrona, čiji je sastavni deo, čak i kad snaga privlačenja između kvarkova postane slabija – rastojanje postaje kraće. Fenomen je u tome).
Ipak, ovo nije uvek bio slučaj. U jednom veoma, veoma kratkom trenutku, koji je usledio posle Velikog praska, temperature su bile kolosalno visoke, te su nastali uslovi u kojima bi pravilo moglo biti privremeno narušeno. Otprilike za jedan trilioniti deo nanosekunde, kvarkovi i gluoni su postojali kao slobodne, pojedinačne čestice unutar zagonetne, ultravruće tečnosti. Danas fizičari ovo stanje materije nazivaju neuhvatljivom supstancom, tj.QGP.
Evolucija kosmosa
Rani univerzum
Kratka era u kojoj je QGPdominirala svemirom, sada je daleka prošlost – ali zahvaljući najnovijoj generacij akceleratora čestica, (RHIC u Brukhevenu i LHC u CERN-u pokraj Ženeve), istraživači mogu u kontrolisanim, laboratorijskim uslovima, stvoriti okruženje i uslove kakvi su vladali u primordijalnoj fazi. U svojoj biti, koncept koji stoji iza njihovog eksperimentalnog procesa jeste prilično jednostavan: potrebno je stvoriti/osloboditi što više energije, na što manjem prostoru.
Da bi to izveli, formiraju dva posebna snopa/mlaza naelektrisanih subatomskih čestica, (obično se koriste joni olova, jer su dovoljno teški, a nisu prteški, što bi predstavljalo problem), koje onda ubrzavaju u suprotnim smerovima kroz dve paralelne, akceleratorske cevi, pod veoma visokim vakuumom, do brzine od 99.98% brzine svetlosti i sudaraju ih u specijalno dizajniranim ogromnim detektorima. Kao posledica tih čeonih sudara snopova jona temperatura je toliko visoka da topi protone i neutrone, oslobađajući kvarkove i tako nastaje kvark-gluonska plazma. Ubrzo posle sudara ta plazma se hladi, a nastaje neverovatno veliki broj… na hiljade raznih čestica svih vrsta iz Standardnog modela i neverovatno velika količina podataka i informacija o njima.
Te podatke moćni računari skladište i čuvaju, tako da su dostupni on-line u realnom vremenu na preko 500 univerziteta iz više od 80 država koje učestvuju u projektu. Posmatrajući i analizirajući karakteristike novonastalih čestica, ekperti iz fizike i drugih disciplina koriste ih za proveru svojih pretpostavki i proračuna mogućih rešenja. Da bi maksimizovali energiju sudara, a time podigli temperaturu i gustinu, fizičari koriste teške jone stabilnih elemenata, kao što je olovo, koji nose daleko veći zamah (momentum) nego čestice manje mase decenije ovi napori su dali obećavajuće rezultate.
Fazni dijagram nuklearne materije i postrojenja „čudnih” kvarkova u česticama (Nature Phys.)
„Kroz eksperimente u relativistici, (fizika relativističkih efekata, kao što je porast mase čestica usled brzina bliskih brzini svetlosti), u kolajderu teških jona u Nacionalnoj laboratoriji Brukheven i Velikom hadronskom sudaraču u CERN-u, fizičari su utvrdili da materija na dovoljno visokim temperaturama i visokim gustinama, prolikom sudara snopova teških jona može preći u stanje kvark-gluonske-plazme”, kaže dr Rene Belvid, sa Univerziteta Hjuston.
Baš kao u ranom univerzumu, trenutno nastalo stanje fluida (QGP) ne zadržava se dugo. Kvark-gluonska plazma, stvorena nakon visokoenergetskih sudara naglo se hladi i veoma brzo se pretvara u „ponovno zarobljene” (re-confinement), spajajući se sa nezavisnim i slobodnim kvarkovima i gluonima koji se grupišu da formiraju nove čestice. Najčešće će to rezultirati novim protonima i neutronima. Kao što su otkrili dr Belvid i kolege, proces „ponovnog zarobljavanja”(re-confinement), može biti veoma raznolik, tj. može imati mnogo varijanti. Uz pravi pristup, istraživači mogu koristiti ovu analizu da steknu dublje razumevanje prirode same materije.
Sposobnost generisanja kvark-gluonske plazme prema potrebi otvorio je poslednjih godina širok spektar mogućnosti za eksperimente u fizici čestica i fizici visokih energija. Kao što pomenuti naučnik objašnjava, istraživanja su posebno važna iz dva razloga.Prvo, sada je moguće opisati, okarakterisati novo kratkotrajno stanje materije i njena svojstva, što je važno za izučavanje slobodnih kvarkova i gluona.Drugo, nastoji se da razume formiranje materije i novih oblika materije kroz proučavanje prelaza unatrag u normalu materiju iz kvark-gluonske plazme.
Kao osnovne čestice, kvarkovi i gluoni su, svaki ponaosob, a i zajedno, ključni elementi Standardnog modela koji opisuje prirodu celokupne materije u svemiru. Sa sposobnošću proučavanja fizičkih svojstava pojedinačnih čestica, oslobođenih uticaja drugih, istraživači bi mogli poboljšati predviđanja Standardnog modela, možda čak razotkriti neka njegova ograničenja.
U svjeom istraživanju, dr Belvid se više fokusira na drugi razlog (aspekt). Proučavanjem proces ponovnog zatvaranja/ograničavanja kvark-gluonske plazme i produkata tog procesa, uz detaljnu analizu posledica toga, nalazi njegovog tima pružaju nove uvide u prirodu materije koji se ne mogu dokazati kroz konvencionalne eksperimente. Posebno su intrigantni, uključujući čestice koje sadrže „čudne” kvarkove, zagonetni sadržaji ultragustih neutronskih zvezda i misteriozni uticaji kvantne mehanike na dinamiku plazme.
Poboljšanje čudnosti
U poređenju s kvarkovima „gore” i „dole”, „čudni” (strange) kvarkovi su daleko teži i daleko manje stabilni – nego bilo koji poznati oblik materije koji sadrži čestice što se raspadaju samo nekoliko trenutaka nakon njihovog formiranja. Dr Belvid i saradnici su otkrilida se tokom ponovnog zatvaranja kvark-gluonske plazme, stvara veliki broj ovih kvarkova, a to je fenomen poznat kao „poboljšanje neobičnosti”.
„Moja grupa je uspostavila značajno poboljšanje u proizvodnji ,čudnihʼ čestica koje sadrže ,čudneʼ, kvarkove pored uobičajenih kvarkova ,goreʼ i ,doleʼ. „Ove čestice se pojavljuju nakon sudara jona pri brzinama blikim brzini svetlosti (relativističke brzine) i, uopšteno, mogu se smatrati potpisom/garancijom za formiranje plazme”, ilustruje ovaj fizičar.U početku su istraživači to postigli samo sudarima teških jona. Kasnije uočoli da se slični mehanizmi mogu pojaviti nakon sudara dva snopa protona, pod uslovom da je energija sudara dovoljno visoka.
Istovremeno sa ovim eksperimentima, dr Belvid je radio sa svojom koleginicom dr Klaudijom Rati, takođe sa Univerziteta Hjuston, na teorijskom okviru za poboljšanje neobičnosti. Njihove pretpostavke su objasnile da karakteristike procesa ponovnog zatvaranja mogu varirati s temperaturom kvark-gluonske plazme – otkrivajući da će čudne čestice nastati iz toplije plazme od onih koje stvaraju protone i neutrone. U kasnijim istraživanjima ove ideje bi bile ključne za određivanje načina na koji se materija ponaša u nekim od najekstremnijih uslova u poznatom svemiru.
U neutronskoj zvezdi
Kada zvezde mase od 10 do 25 puta veće od našeg Sunca dođu do kraja svojeg života, završiće u dramatično spektakularnoj i izuzetno snažnoj eksploziji supernove, ostavljajući za sobom tamna, brzo rotirajuća jezgra, koja su nazvna neutronske zvezde. Iako sa samo desetinanama kilometara u prečniku, one imaju masu sličnu masi Sunce, što ih čini nezamislivo gustim. Čini se da se na površini neutronska zvezda sastoji, uglavnom, od ogromnog broja visoko zbijenih neutrona, nalik na džinovsko atomsko jezgro. Međutim, ono što se nalazi ispod do sada je, u najvećoj meri, ostalo misterija. Najperspektivnije tehnike za proučavanje unutrašnjosti počivaju na detekciji gravitacionih talasa, koji nastaju u prostor-vremenu kada se neutronske zvezde sudare i na kraju spaje.
Silovito spajanja dve neutronske zvezde (NASA)
„Pokazali smo da sudari velike brzine, pri nižim energijama, stvaraju istu gustoću energije kao u spajanju neutronskih zvezda, što je otkriveno gravitacionim talasima”, naglašava dr Belbid. „Unutrašnji sastab neutronske zvezde trebalo bi da stvori jedinstven potpis u emitovanom talasu.” Pojedini teoretičari sada sugerišu da bi ekstremne mase neutronskih zvezda mogle biti posledica obilja stabilnih, čudnih kvarkova skrivenih duboko u njihovoj unutrašnjosti.Ako se to pokaže tačnim, ukazivalo bi da se vruće kvark-gluonske plazme stvaraju kada kolabiraju masivnije zvezde. Nadalje, ova linija istraživanja može, čak, dovesti do novih uvida u formiranje još zagonetnijih crnih rupa.
Uticaj spletenosti
U najnovijem istraživanju dr Belvid je počeo da proučava kako na dinamiku kvark-gluonske plazme utiče fenomen kvantne isprepletenosti/kvantne spletenosti. Pomenuti efekat opisuje sisteme jedne ili više čestica čije su sudbine suštinski povezane jedna s drugom tako da, ako se njihova stanja mere u isto vreme, rezultati svih opservacija direktno će odgovarati jedni drugima, bez obzira koliko su čestice udaljene u prostoru.
U sistemu kvantnih čestica, tako složenom kao što je kvark-gluonska plazma, kvantna spletenost stvara zamršenu mrežu interakcija sastavnih kvarkova i gluona snažno utičući na njihovu dinamiku. „Počeo sam da razmatram efekte kvantne spletenosti na početno stanje formiranja plazme i kako to može uticati na proizvodnju i emisiju čestica konačnog stanja”, nastavlja dr Belvid. „Prvi put smo primenili kvantnomehaničke principe na evoluciju neograničene materije.” Stoga se on nada da će rezultati dovesti do novih uvida, kako u ponašanju slobodnih kvarkova i gluona, tako i u prirodu materije koja nastaje nakon toga.
U narednim godinama Relativističkom sudaraču teških jona (RHIC) i Velikom hadronskom sudaraču (LHC) pridružiće se još dva najsavremenija akceleratora čestica: Postrojenje za istraživanje antiprotona i jona (FAIR) u Nemačkoj i nuklotronski jonski kolajder baziran (NICA) u Rusiji. U daljoj budućnosti Nacionalna laboratorija Brukheven namerava da proširi svoj sudarač sa elektronsko-jonskim kolajderom (EIC).
(Izvor Scientia)
Priredio Živko Teodosić
