Visatos gimimo tyrinėjimas koliderių eksperimentų pagalba

Visatos pradžios tyrimas per dalelių greitintuvų eksperimentus

Mokslininkai padarė reikšmingą pažangą suprantant ankstyvąją Visatos raidą, atkurdami ir analizuodami sąlygas, panašias į tas, kurios vyravo praėjus vos kelioms mikrosekundėms po Didžiojo sprogimo. Naujas tyrimas, publikuotas žurnale Physics Reports, atskleidžia, kaip Visatos sunkiausios elementariosios dalelės – sunkieji kvarkai – reaguoja ir sąveikauja esant itin ekstremalioms aplinkoms. Šie rezultatai ne tik praturtina mūsų žinias apie ankstyvąją kosmoso evoliuciją, bet ir gilina supratimą apie pagrindines jėgas, formuojančias Visatą.

Mokslinis pagrindas: sunkieji kvarkai ir kvarkų-gliuonų plazma

Tarptautinė mokslininkų komanda iš Barselonos universiteto, Indijos technologijos instituto ir Teksaso A&M universiteto tyrė daleles, turinčias sunkiuosius kvarkus – būtent žavųjį (charm) ir apatinį (bottom) kvarkus. Šios subatominės dalelės, jungdamosi, sudaro hadronus, tokius kaip D ir B mezonai, kurie yra vieni masyviausių žinomų elementariųjų dalelių dalelių fizikoje.

Sunkieji kvarkai yra itin svarbūs, nes jų elgsena atskleidžia esmines medžiagos savybes sąlygose, primenančiose ankstyvąją Visatą. Skirtingai nuo lengvųjų kvarkų, sutinkamų protonuose ir neutronuose, sunkieji kvarkai yra labai reti ir susidaro tik esant itin aukštai energijai – tokią aplinką galima pasiekti tik didžiausiuose pasaulio dalelių greitintuvuose.

Ankstyvosios Visatos atkūrimas laboratorijoje

Norėdami atkurti tokias sąlygas, mokslininkai naudoja pažangiausius dalelių greitintuvus, tokius kaip Didysis hadronų priešpriešinių srautų greitintuvas (LHC) CERN’e ir Reliatyvistinis sunkių jonų greitintuvas (RHIC). Susiduriančių sunkiųjų branduolių susidūrimai beveik šviesos greičiu trumpam sukuria temperatūrą, tūkstančius kartų viršijančią Saulės branduolį.

Tokie aukštos energijos susidūrimai akimirksniu sukuria ypatingą materijos būseną, vadinamą kvarkų-gliuonų plazma. Ši pirminė „sriuba“ iš laisvų kvarkų ir gliuonų labai primena Visatos būseną mažiau nei milijonąją sekundės po Didžiojo sprogimo. Kai ši labai karšta plazma atvėsta, ji virsta hadronine medžiaga, formuodama pažįstamas daleles, tokias kaip protonai ir neutronai, taip pat retesnius barionus ir mezonus. Šio virsmo supratimas padeda tiksliau atkoduoti, kaip iš chaotiškų pirminių dalelių susiformavo dabartiniai Visatos atomai ir struktūros.

Sunkieji kvarkai – natūralūs jutikliai ekstremaliose sąlygose

Sunkieji kvarkai vaidina esminį „jutiklio“ vaidmenį tokiuose eksperimentuose. Dėl jų didelės masės jie juda lėčiau nei lengvesnės dalelės ir unikaliu būdu sąveikauja su aplinka, tad tampa efektyviais natūraliais kvarkų-gliuonų plazmos indikatoriais. Kaip paaiškino dr. Juan M. Torres-Rincón iš Barselonos universiteto: „Net tada, kai sistema atvėsta, sunkiosios dalelės toliau sąveikauja, suteikdamos esminių žinių apie energijos praradimą ir medžiagos elgseną virsmo fazėje. Praleidus šį etapą, liktų esminė spraga mūsų supratime.“

Pavyzdžiui, įsivaizduokite, kad į perpildytą baseiną įmetate sunkų objektą. Po pirmo purslo objektas vis dar juda ir toliau veikia vandens ir plaukikų aplinką – lygiai taip ir sunkieji hadronai, susidarę koliderių eksperimentuose, sąveikauja su lengvesnėmis dalelėmis, darydami įtaką stebimiems parametrams, tokiems kaip dalelių srautas ar energijos praradimas.

Pagrindiniai atradimai ir reikšmė

Ankstesni tyrimai dažniausiai koncentravosi į pirminę ir karščiausią kvarkų-gliuonų plazmos fazę. Tačiau naujausias darbas parodė, jog vėlesnis atvėsimo etapas – kai plazma virsta į hadroninę medžiagą – yra ne mažiau svarbus, siekiant suprasti, kaip subatominės dalelės praranda energiją ir susiorganizuoja. Sunkesnių mezonų (D ir B mezonų) ir lengvesnių dalelių tarpusavio sąveikos stipriai veikia eksperimentuose gaunamus duomenis ir padeda tobulinti Visatos ankstyvosios raidos modelius.

Šios įžvalgos labai svarbios tiek dabartiniams, tiek būsimiems eksperimentams. Ateityje tyrimai bus tęsiami mažesnių susidūrimo energijų srityje, panaudojant Super Protono Sinchrotroną CERN‘e ir būsimos Antiprotonų ir jonų tyrimų laboratorijos (FAIR) įrangą Vokietijoje. Rezultatai gali padėti spręsti esminius klausimus tiek dalelių fizikoje, tiek šiuolaikinėje kosmologijoje.

Išvados

Atkurdami pirmąsias Visatos mikrosekundes galinguose dalelių greitintuvuose, mokslininkai atskleidžia, kaip materija virto iš pirminės būsenos į sudėtingas struktūras, užpildančias kosmosą šiandien. Detalūs sunkiojo kvarko elgsenos tyrimai leidžia žemėlapiuoti karštos ir tankios medžiagos savybes bei jėgas, valdančias šią transformaciją. Tokie tyrimai priartina mus prie atsakymų į fundamentalius klausimus apie Visatos kilmę, medžiagos prigimtį bei pagrindinius fizikos dėsnius, nulėmusius kosminę istoriją.