Отприлике за један трилионити део наносекунде, кваркови и глуони су постојали као слободне, појединачне честице унутар загонетне, ултравруће течности. Данас физичари ово стање материје називају неухватљивом супстанцом, тј. кварк-глуоном плазмом (QGP).
У екстремном окружењу примордијалног универзума, фундаменталне честице које су сада чврсто везане у композитне, веће групе, биле су за веома, веома кратак тренутак, слободне – појединачне честице. Kористећи најновије акцелераторе честица, истраживачи данас могу од тих, основних честица тј. кваркова, поново створити стање флуида, које називамо кварк-глуонска плазма (Quark Gluon Plasma, QGP), а она настаје приликом судара два млаза тешких јона високих енергија у детекторима најмћнијих акцелератора. У својим истраживању проф. др Рене Белвид на Универзитету Хјустон користи резултате ових експеримената да би истражио фасцинантну динамику плазме и производа који се појављују као последица већ речених судара. Налази његовог тима сада бацају ново светло на загонетну природу саме материје.
Рене Белвид (University Huston)
Kваркови
Kваркови су фундаментални део највећег дела материје у универзуму, коју можемо посматрати. Иако се ове честице могу јавити у шест могућих видова („укуси”), већина спада у само две такве категорије. То су „горе” (up) и „доле” (down) кваркови, који чине протоне и неутроне који, пак, чине сву материју што нас окружује, а саставни су део и нас самих.
Највећим делом историје универзума практично сви кваркови, колико знамо, постоје у везаном стању, тј. везани су за један или више других кваркова и никада не могу постојати као слободне, појединачне честице – сами за себе. У протонима и неутронима, на пример, постоје у групама од по три, које на окупу држе глуони, како називамо честице јаке нуклеарне силе, путем интеракције са самим кварковима. Оне припадају класи честица које зовемо бозонима. Имају целобројни спин, али немају масу и наелектрисање. Налазе се у некој врсти течног стања. Сматра се да би биле идеално мазиво, јер не стварају силу трења. Током протеклих неколико деценија физичари су откривали све већи број егзотичнијих честица састављених од различитих врста и комбинација кваркова, али све оне поштују правило које налаже да, без обзира на комбинацију и врсту, сви морају бити затворени унутар веће честице чији су саставни делови, тј. увек су заробљени (quark confinement, феномен који каже да појединачни кварк никад не може бити одстрањен из хадрона, чији је саставни део, чак и кад снага привлачења између кваркова постане слабија – растојање постаје краће. Феномен је у томе).
Ипак, ово није увек био случај. У једном веома, веома кратком тренутку, који је уследио после Великог праска, температуре су биле колосално високе, те су настали услови у којима би правило могло бити привремено нарушено. Отприлике за један трилионити део наносекунде, кваркови и глуони су постојали као слободне, појединачне честице унутар загонетне, ултравруће течности. Данас физичари ово стање материје називају неухватљивом супстанцом, тј. QGP.
Еволуција космоса
Рани универзум
Kратка ера у којој је QGP доминирала свемиром, сада је далека прошлост – али захваљући најновијој генерациј акцелератора честица, (RHIC у Брукхевену и LHC у ЦЕРН-у покрај Женеве), истраживачи могу у контролисаним, лабораторијским условима, створити окружење и услове какви су владали у примордијалној фази. У својој бити, концепт који стоји иза њиховог експерименталног процеса јесте прилично једноставан: потребно је створити/ослободити што више енергије, на што мањем простору.
Да би то извели, формирају два посебна снопа/млаза наелектрисаних субатомских честица, (обично се користе јони олова, јер су довољно тешки, а нису пртешки, што би представљало проблем), које онда убрзавају у супротним смеровима кроз две паралелне, акцелераторске цеви, под веома високим вакуумом, до брзине од 99.98% брзине светлости и сударају их у специјално дизајнираним огромним детекторима. Kао последица тих чеоних судара снопова јона температура је толико висока да топи протоне и неутроне, ослобађајући кваркове и тако настаје кварк-глуонска плазма. Убрзо после судара та плазма се хлади, а настаје невероватно велики број… на хиљаде разних честица свих врста из Стандардног модела и невероватно велика количина података и информација о њима.
Те податке моћни рачунари складиште и чувају, тако да су доступни on-line у реалном времену на преко 500 универзитета из више од 80 држава које учествују у пројекту. Посматрајући и анализирајући карактеристике новонасталих честица, екперти из физике и других дисциплина користе их за проверу својих претпоставки и прорачуна могућих решења. Да би максимизовали енергију судара, а тиме подигли температуру и густину, физичари користе тешке јоне стабилних елемената, као што је олово, који носе далеко већи замах (momentum) него честице мање масе деценије ови напори су дали обећавајуће резултате.
Фазни дијаграм нуклеарне материје и постројења „чудних” кваркова у честицама (Nature Phys.)
„Kроз експерименте у релативистици, (физика релативистичких ефеката, као што је пораст масе честица услед брзина блиских брзини светлости), у колајдеру тешких јона у Националној лабораторији Брукхевен и Великом хадронском сударачу у ЦЕРН-у, физичари су утврдили да материја на довољно високим температурама и високим густинама, проликом судара снопова тешких јона може прећи у стање кварк-глуонске-плазме”, каже др Рене Белвид, са Универзитета Хјустон.
Баш као у раном универзуму, тренутно настало стање флуида (QGP) не задржава се дуго. Kварк-глуонска плазма, створена након високоенергетских судара нагло се хлади и веома брзо се претвара у „поновно заробљене” (re-confinement), спајајући се са независним и слободним кварковима и глуонима који се групишу да формирају нове честице. Најчешће ће то резултирати новим протонима и неутронима. Као што су открили др Белвид и колеге, процес „поновног заробљавања” (ре-цонфинемент), може бити веома разнолик, тј. може имати много варијанти. Уз прави приступ, истраживачи могу користити ову анализу да стекну дубље разумевање природе саме материје.
Способност генерисања кварк-глуонске плазме према потреби отворио је последњих година широк спектар могућности за експерименте у физици честица и физици високих енергија. Kао што поменути научник објашњава, истраживања су посебно важна из два разлога. Прво, сада је могуће описати, окарактерисати ново краткотрајно стање материје и њена својства, што је важно за изучавање слободних кваркова и глуона. Друго, настоји се да разуме формирање материје и нових облика материје кроз проучавање прелаза унатраг у нормалу материју из кварк-глуонске плазме.
Kао основне честице, кваркови и глуони су, сваки понаособ, а и заједно, кључни елементи Стандардног модела који описује природу целокупне материје у свемиру. Са способношћу проучавања физичких својстава појединачних честица, ослобођених утицаја других, истраживачи би могли побољшати предвиђања Стандардног модела, можда чак разоткрити нека његова ограничења.
У свјеом истраживању, др Белвид се више фокусира на други разлог (аспект). Проучавањем процес поновног затварања/ограничавања кварк-глуонске плазме и продуката тог процеса, уз детаљну анализу последица тога, налази његовог тима пружају нове увиде у природу материје који се не могу доказати кроз конвенционалне експерименте. Посебно су интригантни, укључујући честице које садрже „чудне” кваркове, загонетни садржаји ултрагустих неутронских звезда и мистериозни утицаји квантне механике на динамику плазме.
Побољшање чудности
У поређењу с кварковима „горе” и „доле”, „чудни” (strange) кваркови су далеко тежи и далеко мање стабилни – него било који познати облик материје који садржи честице што се распадају само неколико тренутака након њиховог формирања. Др Белвид и сарадници су открили да се током поновног затварања кварк-глуонске плазме, ствара велики број ових кваркова, а то је феномен познат као „побољшање необичности”.
„Моја група је успоставила значајно побољшање у производњи ,чуднихʼ честица које садрже ,чуднеʼ, кваркове поред уобичајених кваркова ,гореʼ и ,долеʼ. „Ове честице се појављују након судара јона при брзинама бликим брзини светлости (релативистичке брзине) и, уопштено, могу се сматрати потписом/гаранцијом за формирање плазме”, илуструје овај физичар. У почетку су истраживачи то постигли само сударима тешких јона. Касније уочоли да се слични механизми могу појавити након судара два снопа протона, под условом да је енергија судара довољно висока.
Истовремено са овим експериментима, др Белвид је радио са својом колегиницом др Kлаудијом Рати, такође са Универзитета Хјустон, на теоријском оквиру за побољшање необичности. Њихове претпоставке су објасниле да карактеристике процеса поновног затварања могу варирати с температуром кварк-глуонске плазме – откривајући да ће чудне честице настати из топлије плазме од оних које стварају протоне и неутроне. У каснијим истраживањима ове идеје би биле кључне за одређивање начина на који се материја понаша у неким од најекстремнијих услова у познатом свемиру.
У неутронској звезди
Kада звезде масе од 10 до 25 пута веће од нашег Сунца дођу до краја својег живота, завршиће у драматично спектакуларној и изузетно снажној експлозији супернове, остављајући за собом тамна, брзо ротирајућа језгра, која су назвна неутронске звезде. Иако са само десетинанама километара у пречнику, оне имају масу сличну маси Сунце, што их чини незамисливо густим. Чини се да се на површини неутронска звезда састоји, углавном, од огромног броја високо збијених неутрона, налик на џиновско атомско језгро. Међутим, оно што се налази испод до сада је, у највећој мери, остало мистерија. Најперспективније технике за проучавање унутрашњости почивају на детекцији гравитационих таласа, који настају у простор-времену када се неутронске звезде сударе и на крају спаје.
Силовито спајања две неутронске звезде (NASA)
„Показали смо да судари велике брзине, при нижим енергијама, стварају исту густоћу енергије као у спајању неутронских звезда, што је откривено гравитационим таласима”, наглашава др Белбид. „Унутрашњи састаб неутронске звезде требало би да створи јединствен потпис у емитованом таласу.” Поједини теоретичари сада сугеришу да би екстремне масе неутронских звезда могле бити последица обиља стабилних, чудних кваркова скривених дубоко у њиховој унутрашњости. Ако се то покаже тачним, указивало би да се вруће кварк-глуонске плазме стварају када колабирају масивније звезде. Надаље, ова линија истраживања може, чак, довести до нових увида у формирање још загонетнијих црних рупа.
Утицај сплетености
У најновијем истраживању др Белвид је почео да проучава како на динамику кварк-глуонске плазме утиче феномен квантне испреплетености/квантне сплетености. Поменути ефекат описује системе једне или више честица чије су судбине суштински повезане једна с другом тако да, ако се њихова стања мере у исто време, резултати свих опсервација директно ће одговарати једни другима, без обзира колико су честице удаљене у простору.
У систему квантних честица, тако сложеном као што је кварк-глуонска плазма, квантна сплетеност ствара замршену мрежу интеракција саставних кваркова и глуона снажно утичући на њихову динамику. „Почео сам да разматрам ефекте квантне сплетености на почетно стање формирања плазме и како то може утицати на производњу и емисију честица коначног стања”, наставља др Белвид. „Први пут смо применили квантномеханичке принципе на еволуцију неограничене материје.” Стога се он нада да ће резултати довести до нових увида, како у понашању слободних кваркова и глуона, тако и у природу материје која настаје након тога.
У наредним годинама Релативистичком сударачу тешких јона (RHIC) и Великом хадронском сударачу (LHC) придружиће се још два најсавременија акцелератора честица: Постројење за истраживање антипротона и јона (FAIR) у Немачкој и нуклотронски јонски колајдер базиран (NICA) у Русији. У даљој будућности Национална лабораторија Брукхевен намерава да прошири свој сударач са електронско-јонским колајдером (EIC).
(Извор Scientia)
Приредио Живко Теодосић
