Zobaczyliśmy, jak kwarki tworzą zmarszczki w pierwotnej zupie Wszechświata

Mam dla was coś naprawdę fascynującego ze świata fizyki cząstek elementarnych. Siądźcie wygodnie, bo historii tej nie da się opowiedzieć w trzech zdaniach.

Jak to wszystko się zaczęło

Trzynaście miliardów lat temu — wyobraźcie to sobie — Wszechświat po prostu się pojawił. W tych pierwszych mikrosekundach temperatura sięgała bilionów stopni. W takich warunkach zwykła materia, którą znamy dzisiaj — protony, neutrony, całe atomy — po prostu nie mogła istnieć. Zamiast tego panował dziwaczny stan zwany plazmą kwarkowo-gluonową.

Kwarki i gluony to tak naprawdę najbardziej podstawowe składniki wszystkiego, co nas otacza. Kiedy są ze sobą połączone, tworzą protony, neutrony, a w efekcie całą materię — od kubka z kawą po kota na kanapie. Ale w owej pierwotnej chwili nie były jeszcze ze sobą związane. Wisiały swobodnie w supergorącej zupie cząstek, pędząc z prędkością zbliżoną do prędkości światła.

Potem, równie szybko jak się pojawiła, całość zaczęła się ochładzać i kwarki z gluonami połączyły się w trwałe cząstki. Przez długi czas naukowcy mogli tylko teoretyzować, jak ta pierwotna zupa się zachowywała. Brakowało nam twardych dowodów.

Tunel pod Szwajcarią i podróż w przeszłość

I tutaj zaczyna się najciekawsze. Fizycy pracujący przy Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN robią coś absolutnie niesamowitego: odtwarzają warunki wczesnego Wszechświata. Jak? Zderzając ze sobą ciężkie jądra atomowe — na przykład ołowiu — przy prędkościach sięgających niemal prędkości światła.

W momencie kolizji, na ułamek kwadrylionowej części sekundy, powstają mikroskopijne kropelki tej samej plazmy kwarkowo-gluonowej, która wypełniała młody Wszechświat. To trochę jak wehikuł czasu — tylko zamiast wysyłać cokolwiek w przeszłość, tworzymy miniaturowe fotografie tego, jak wyglądał kosmos, gdy był jeszcze niemowlęciem.

Przełom: obserwacja zmarszczek od kwarków

No i mamy nowość, która wprawia fizyków w ekscytację. Zespół z MIT pod kierunkiem Yen-Jie Lee ogłosił właśnie, że udało im się zobaczyć coś niezwykłego: kwarki tworzące zmarszczki podczas przechodzenia przez plazmę.

Żeby było jasne, o co chodzi, posłużę się prostą analogią. Wyobraźcie sobie staw. Rzucacie kamień do wody — rozchodzą się koncentryczne fale. Teraz pomyślcie o kaczce płynącej po powierzchni. Za nią ciągnie się ślad zmarszczek, niewielka fala dziobowa.

Dokładnie coś takiego zaobserwowano na poziomie subatomowym.

Kiedy kwark pędzi przez plazmę kwarkowo-gluonową, nie przechodzi niezauważony. Plazma jest tak gęsta i ze sobą powiązana, że reaguje na jego obecność. Kwark pcha pierwotny materiał, tworząc fale, bryzgi, a nawet wirowe ruchy.

Lee powiedział to pięknie: „Ta plazma jest niewiarygodnie gęsta — potrafi spowolnić kwark i wytworzyć bryzgi oraz wirowania niczym ciecz."

To ogromna sprawa, bo potwierdza to, co teoretycy podejrzewali od lat: plazma kwarkowo-gluonowa nie zachowuje się jak zbiór niezależnych cząstek podskakujących wokół siebie. Wręcz przeciwnie — zachowuje się jak jednolita, płynąca substancja. Jak ciecz. Najgorętsza ciecz w historii Wszechświata.

Dlaczego wcześniej tego nie widzieliśmy?

Możecie się zastanawiać: skoro to taki podstawowy efekt, dlaczego dopiero teraz go zaobserwowano?

Szczera odpowiedź brzmi: niezwykle trudno to wykryć. Kiedy naukowcy szukali tego zjawiska wcześniej, zwykle skupiali się na parach kwarków i antykwarków, zakładając, że oba stworzą widoczne zmarszczki. Problem polega na tym, że gdy dwie cząstki powstają w przeciwnych kierunkach, zmarszczka jednego kwarka zasłania zmarszczkę drugiego. Trochę jak próba usłyszenia dwóch szeptów w hałaśliwym pokoju.

Lee i jego zespół opracowali sprytną metodę detekcji, która pozwoliła im w końcu wychwycić te subtelne sygnały spośród całego chaosu zderzeń cząstek. Znaleźli sposób na izolację i identyfikację śladu pojedynczego kwarka zaburzającego otaczającą go plazmę.

Co z tego wynika dla nas?

Poza efektem „no, ale ładnie", dlaczego powinno was to obchodzić?

Zrozumienie zachowania plazmy kwarkowo-gluonowej dostarcza kluczowych informacji o najwcześniejszych momentach istnienia Wszechświata. Mierząc rozmiary tych zmarszczek, prędkość ich rozchodzenia się, zasięg i szybkość zanikania, naukowcy mogą coraz precyzyjniej określać właściwości tej pierwotnej substancji.

Jak wyjaśnił Lee: „Badanie tego, jak zmarszczki od kwarków odbija się w plazmie, dostarczy nam nowych informacji o jej właściwościach. Przeprowadzamy właśnie snapshot — fotografię tego pierwotnego kwarkowego rosołu."

Mamy przed sobą kosmiczne zdjęcie sprzed 13,8 miliarda lat. Każda nowa technika eksperymentalna dodaje kolejne piksele do tej fotografii.

Podsumowując

Oto co wiemy: pierwsze chwile Wszechświata wypełniała materia, która zachowywała się jak ciecz, reagowała na cząstki przechodzące przez nią i istniała przez zaledwie mgnienie oka, zanim ostygła i stała się budulcem wszystkiego, co znamy dzisiaj.

A teraz, dzięki sprytnej fizyce i potężnemu akceleratorowi cząstek, zyskaliśmy wyraźniejszy obraz tego, jak to wyglądało.

Niezłe osiągnięcie jak na gatunek, który opanował ogień zaledwie kilkaset tysięcy lat temu.