Ολοκαίνουργια ύλη δημιουργήθηκε στο CERN, Atom Smasher Creates New Kind of Matter

A proton collides with a lead nucleus, sending a shower of particles through the ALICE detector. The ATLAS, CMS and LHCb experiments also recorded collisions. Credit: Alice/CERN

Οι συγκρούσεις σωματιδίων στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Πυρηνικών Ερευνών (CERN) παρήγαγαν μια άγνωστη μέχρι σήμερα μορφή ύλης. Πρόκειται για κύματα γκλουονίων που έχουν χαρακτηριστικά υγρού με τους ειδικούς να ονομάζουν αυτή τη νέα ύλη «χρωμο-υάλινο συμπύκνωμα».

Τα γκλουόνια

The basic elements (degrees of freedom) of strongly-interacting matter depend on the energy of the experimental probe and the distance scale. The building blocks of the theory of strong interactions, quantum chromodynamics (QCD), are quarks and gluons. Hadrons (baryons and mesons) can often be described by the dynamics of the effective (or constituent) quarks, with the gluon degrees of freedom being integrated out. The classical nuclear physics problem is an effective approximation to QCD. It involves a strongly interacting quantum mechanical system of two fermionic species, protons and neutrons.

Τα γκλουόνια ή γλοιόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια με μηδενική μάζα ηρεμίας και μηδενικό ηλεκτρικό φορτίο. Είναι σωματίδια τα οποία μεταφέρουν την ισχυρή αλληλεπίδραση, με την οποία αλληλεπιδρούν τα κουάρκ, θεμελιώδη σωματίδια από τα οποία απαρτίζεται η ύλη. Τα γκλουόνια συνδέονται με την πολύ ισχυρή δύναμη που επιτρέπουν στα κουάρκ να «κολλούν» μεταξύ τους μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια. Για αυτό και ονομάστηκαν «gluons» από την αγγλική λέξη glue που σημαίνει κόλλα.

Η νέα ύλη

This visualization from the CMS collaboration depicts a proton colliding with a lead nucleus, sending a shower of particles through the detector. CMS/CERN via MIT

Οι επιστήμονες δεν περίμεναν ότι οι συγκρούσεις πρωτονίων και ιόντων μόλυβδου θα είχαν αυτή την εξέλιξη. Η ύπαρξη αυτής νέας μορφής ύλης όμως εξηγεί την παράξενη συμπεριφορά που έχουν ορισμένες φορές τα σωματίδια μέσα στον επιταχυντή. 

Στα πειράματα που γίνονται στο LHC οι συγκρούσεις πρωτονίων και ιόντων ρευστοποιούν αυτά τα σωματίδια και παράγουν νέα τα περισσότερα εκ των οποίων «πετούν» προς κάθε κατεύθυνση με ταχύτητες που πλησίαζαν εκείνη του φωτός. Πρόσφατα οι ερευνητές παρατήρησαν ότι ορισμένα ζεύγη σωματιδίων πετούσαν από το σημείο της σύγκρουσης σε συσχετισμένες κατευθύνσεις.

«Με κάποιο τρόπο καταφέρνουν να πετούν προς την ίδια κατεύθυνση αν και δεν είναι ακόμη ξεκάθαρο το πώς επικοινωνούν μεταξύ τους για να κινηθούν μαζί. Αυτό ήταν μια έκπληξη για όλους» αναφέρει ο Γκάνθερ Ρόλαντ, φυσικός του ΜΙΤ μέλος της ερευνητικής ομάδας που ανέλυσε τα δεδομένα των πρόσφατων σωματιδιακών συγκρούσεων στον LHC.

Τα πειράματα

Οι συγκρούσεις σωματιδίων στον LHC δημιούργησαν μια νέα μορφή ύλης. The experimanets in the Large Hadron Collider may have created a new type of matter

Παρόμοια «πτητικά» μοτίβα παρουσιάζονται όταν συγκρούονται μεταξύ τους βαρέα σωματίδια όπως παραδείγματος χάριν, σωματίδια μόλυβδου μεταξύ τους. Αυτού του είδους οι συγκρούσεις δημιουργούν αυτό που οι ειδικοί ονομάζουν «πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων», μια μορφή της ύλης που εμφανίστηκε μια στιγμή μετά τη Μεγάλη Έκρηξη που γέννησε στο Σύμπαν. Πρόκειται για μια κατάσταση στην οποία παύουν να ισχύουν οι δυνάμεις που συγκρατούν τους πυρήνες των ατόμων και η ύλη μετατρέπεται σε μια «αρχέγονη σούπα» από κουάρκ και γλουόνια, θεμελιώδη σωματίδια που δεν διασπώνται περαιτέρω. Ολόκληρο το Σύμπαν ήταν μια σούπα κουάρκ-γκλουονίων για μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου μετά το σχηματισμό του πριν από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια.

Όμως η δημιουργία πλάσματος κουάρκ-γκλουονίων δεν είναι δυνατή με συγκρούσεις πρωτονίων και μόλυβδου σαν αυτές που γίνονται αυτή την εποχή στο CERN. Τώρα οι ερευνητές πιστεύουν ότι ένα διαφορετικό είδος ύλης, το «χρωμο-υάλινο συμπύκνωμα», είναι πιθανό να λειτουργεί με τρόπο παρόμοιο με το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων.

Η διεμπλοκή

Οι ειδικοί εκτιμούν ότι πίσω από αυτό το συμπύκνωμα κρύβεται ένας μηχανισμός που ονομάζεται κβαντική διεμπλοκή. Η κβαντική διεμπλοκή είναι το φαινόμενο κατά το οποίο, δύο αντικείμενα που δημιουργούνται μαζί (για παράδειγμα δύο ηλεκτρόνια) μένουν σε κατάσταση διεμπλοκής μεταξύ τους, ασχέτως του χώρου που μεσολαβεί πλέον από το ένα στο άλλο. Αν στείλουμε το ένα από τα δύο στο άλλο άκρο του σύμπαντος και κάνουμε κάτι σε οποιοδήποτε από τα δύο, το άλλο αντιδρά ακαριαία.

Quantum Entanglement in two minutes

Έτσι, είτε πρέπει να δεχτούμε πως η πληροφορία μπορεί να ταξιδέψει με άπειρη ταχύτητα είτε πως στην πραγματικότητα τα δύο αντικείμενα βρίσκονται ακόμα σε «επαφή», σε σύνδεση μεταξύ τους, σε κατάσταση διεμπλοκής. Η κβαντική διεμπλοκή είναι υπαρκτό φαινόμενο και παρατηρείται σε πειράματα, όχι μόνο στο μικρόκοσμο, αλλά και σε μεγαλύτερες κλίμακες.