To CERN μαγειρεύει την «αρχέγονη σούπα» του Σύμπαντος. The universe's primordial soup flowing at CERN

Νέο πείραμα έδειξε ότι το πλάσμα κουάρκ-γλουονίων συμπεριφέρεται περισότερο σαν υγρό παρά σαν αέριο. A few billionths of a second after the Big Bang, the universe was made up of a kind of extremely hot and dense primordial soup. Now, researchers have recreated that soup in miniature format at the Large Hadron Collider (pictured) at Cern in Geneva, Switzerland.

Μερικά δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, η ύλη όπως την γνωρίζουμε δεν είχε σχηματιστεί ακόμα -ολόκληρο το Σύμπαν ήταν μια καυτή «αρχέγονη σούπα», την οποία κατάφεραν να μετρήσουν σε νέα επίπεδα ακρίβειας ερευνητές του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο ευρωπαϊκό εργαστήριο CERN.

Η παράξενη αυτή μορφή της ύλης μπορεί να υπάρξει μόνο σε ακραίες συνθήκες και αποτελείται από θεμελιώδη σωματίδια, κυρίως κουάρκ και γλουόνια, γι΄αυτό και ονομάζεται επίσημα «πλάσμα κουαρκ-γλουονίων»

Τα κουάρκ είναι τα σωματίδια από τα οποία αποτελούνται τα πρωτόνια και τα νετρόνια, ενώ τα γλουόνια είναι οι φορείς της ισχυρής πυρηνικής δύναμης που συνδέει τα κουάρκ μεταξύ τους. Το πλάσμα κουάρκ-γλουονίων σχηματίζεται όταν τα πρωτόνια και τα νετρόνια «λιώνουν» σε συνθήκες ακραίας θερμοκρασίας ή πίεσης.

Το πλάσμα κουαρκ-γλουονίων αναδημιουργήθηκε για πρώτη φορά στο εργαστήριο το 2000 και πιο πρόσφατα στον LHC. Το 2012, μάλιστα, η «αρχέγονη σούπα» του CERN ξεπέρασε κάθε ρεκόρ θερμοκρασίας, πάνω από 5 τρισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου.

Στο νέο πείραμα, οι ερευνητές του CERN ανάγκασαν άτομα μολύβδου να συγκρουστούν μετωπικά στην υπόγεια κυκλική σήραγγα του επιταχυντή, ακριβώς κάτω από τα σύνορα Ελβετίας-Γαλλίας. Οι συγκρούσεις πραγματοποιήθηκαν με ενέργεια 5,02 ΤeV (τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ), το μέγιστο επίπεδο ισχύος που επιτρέπει ο LHC, και εξετάστηκαν με τον ανιχνευτή ALICE του συστήματος.

You Zhou, who is a postdoctoral researcher in the ALICE research group at the Niels Bohr Institute, has, together with a small, fast-working team of international collaboration partners, led the analysis of the new data and measured how the quark-gluon plasma flows and fluctuates. It has been an impressively quick analysis of a very complex phenomenon and they have achieved a remarkable result.

«Η ανάλυση των συγκρούσεων μας επιτρέπει για πρώτη φορά να μετρήσουμε τα ακριβή χαρακτηριστικά του πλάσματος κουάρκ-γλουονίων στη μέγιστη ενέργεια και να προσδιορίσουμε το πώς ρέει» εξηγεί ο Γιου Τσου, μεταδιδακτορικός ερευνητής του Ινστιτούτου «Νιλς Μπορ» στη Δανία και μέλος της ομάδας του ALICE.

Τα νέα ευρήματα

Researchers have recreated the universe's primordial soup in miniature format by colliding lead atoms with extremely high energy in the 27 km long particle accelerator. The primordial soup is a so-called quark-gluon plasma and researchers have measured its liquid properties with great accuracy at the LHC's top energy. The figure shows how a small, elongated drop of quark-gluon plasma is formed when two atomic nuclei hit each other a bit off center. The angular distribution of the emitted particles makes it possible to determine the properties of the quark-gluon plasma, including the viscosity. Credit: State University of New York

Η μελέτη εστιάστηκε στις συλλογικές ιδιότητες του πλάσματος και επιβεβαίωσε ότι, ακόμα και σε αυτά τα ακραία επίπεδα ενέργειας, η αρχέγονη σούπα συμπεριφέρεται περισσότερο σαν υγρό παρά σαν αέριο. Για πρώτη φορά οι ερευνητές κατάφεραν μάλιστα να μετρήσουν το ιξώδες αυτού του εξωτικού υγρού, δηλαδή να μετρήσουν το πόσο παχύρρευστο είναι.

Το πείραμα, εξηγεί η ερευνητική ομάδα, βασίστηκε στο γεγονός ότι, όταν δύο σφαιρικά άτομα μολύβδου συγκρουστούν όχι εντελώς μετωπικά αλλά ελαφρώς εκτός κέντρου, το πλάσμα που παράγεται δεν έχει σφαιρικό αλλά μακρόστενο σχήμα σαν μπάλα του ράγκμπι.

Αυτό σημαίνει ότι η διαφορά πίεσης ανάμεσα στο κέντρο του πλάσματος και την επιφάνειά του αλλάζει ανάλογα με τη γωνία υπό την οποία κοιτάει κανείς το πλάσμα. Οι διαφορές αυτές επέτρεψαν στους ερευνητές να εξετάσουν τη διόγκωση και τη ροή του πλάσματος, έστω και στιγμιαία.

«Είναι αξιοσημείωτο ότι μπορέσαμε να συλλέξουμε τόσο ακριβείς μετρήσεις σε μια σταγόνα "αρχέγονου Σύμπαντος" που έχει ακτίνα περίπου ένα εκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του μέτρου» σχολιάζει ο καθηγητής Γενς Γιέργκεν Γκορντχόγιε, επικεφαλής της ομάδας του ALICE στο Ινστιτούτο «Νιλς Μπορ».

«Τα αποτελέσματα βρίσκονται σε απόλυτη συμφωνία με τους νόμους της υδροδυναμικής, δηλαδή της θεωρίας των ρεόντων υγρών, και δείχνει ότι το πλάσμα κουάρκ-γλουονίων συμπεριφέρεται σαν υγρό. Είναι όμως ένα πολύ ειδικό υγρό, το οποίο δεν αποτελείται από μόρια όπως το νερό, αλλά από τα θεμελιώδη σωματίδια κουάρκ και γλουόνια» εξηγεί.

Και προσθέτει ότι η ομάδα του είναι τώρα έτοιμη να μελετήσει αυτήν την κατάσταση της ύλης σε νέα επίπεδα ακρίβειας και να κοιτάξει έτσι ακόμα πιο πίσω στο χρόνο.