Rozwiązanie zagadki starej jak Wielki Wybuch
Prawie 14 miliardów lat temu nasz wszechświat powstał w wyniku Wielkiego Wybuchu. W tych pierwszych chwilach wszystko było niezwykle gorącą plazmą cząstek elementarnych rozszerzających się z prędkością bliską prędkości światła. Większość z nich to kwarki, składniki widzialnej materii, oraz gluony, które pośredniczą w przypominających klej oddziaływaniach silnych pomiędzy kwarkami. Naukowcy mogą sztucznie odtworzyć te warunki poprzez zderzanie ciężkich jonów z największymi dostępnymi energiami zderzeń w akceleratorach cząstek. W ten sposób znaleźli dowody na poparcie istnienia tego ekstremalnego stanu materii, nazwanego plazmą kwarkowo-gluonową (QGP). Chociaż zakładano, że QGP zachowuje się jak słabo oddziałujący gaz, eksperymenty z ciężkimi jonami w Relatywistycznym Zderzaczu Ciężkich Jonów (RHIC) w Brookhaven w Stanach Zjednoczonych i Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN wykazały, że zachowuje się bardziej podobnie do silnie sprzężonej cieczy. W ramach projektu QGP-MYSTERY, finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN), naukowcy badali właściwości QGP przy najwyższych dotychczas energiach w LHC, aby uzyskać głębsze zrozumienie tego enigmatycznego stanu materii. „Głównymi implikacjami są nowe ograniczenia dotyczące właściwości QGP, w szczególności zależności jej lepkości od temperatury” — wyjaśnia Ante Bilandzic, fizyk z Uniwersytetu Technicznego w Monachium i koordynator projektu QGP-MYSTERY. „Jako że Wszechświat został prawie całkowicie wypełniony QGP kilka mikrosekund po Wielkim Wybuchu, pogłębia to nasze zrozumienie tej odległej epoki w ewolucji naszego Wszechświata” — dodaje.
Pomiar przepływu anizotropowego
Aby dowiedzieć się więcej o właściwościach QGP, Bilandzic kierował zespołem QGP-MYSTERY w badaniach zjawiska fizycznego znanego jako przepływ anizotropowy. Gdy dwa ciężkie jony zderzają się lekko niecentralnie, kształt zderzenia jest nierównomierny. Ta nierównomierność lub anizotropia przenosi się na sposób, w jaki cząstki oddziałują ze sobą i sposób, w jaki się poruszają — efekt znany jako przepływ anizotropowy.
Dostosowanie formalizmu matematycznego do przepływu anizotropowego
Zespół dopasował również złożony formalizm matematyczny, zwany wielowymiarowymi kumulantami, do sposobu, w jaki naukowcy badają przepływ anizotropowy. Doprowadziło to do opracowania lepszych narzędzi do analizy QGP. Nowe „obserwable” oferują nowe sposoby pomiaru przepływu cząstek, w tym pomiary symetrii i asymetrii wyższego rzędu. „Ponieważ każda z tych nowych obserwabli spełnia wszystkie podstawowe właściwości wielowymiarowych kumulantów, każda z nich z definicji niesie ze sobą niezależną informację o właściwościach QGP” — mówi Bilandzic.
Pierwsze eksperymenty w Wielkim Zderzaczu Hadronów
W ramach projektu Współpraca ALICE naukowcy przeprowadzili już pierwsze pomiary z wykorzystaniem tych nowych obserwabli w LHC, co pogłębiło naszą wiedzę na temat QGP. Do tej pory projekt zaowocował łącznie 13 publikacjami w recenzowanych czasopismach: dziewięcioma teoretycznymi i czterema eksperymentalnymi w wyniku współpracy ALICE. Obejmują one: opracowanie nowego paradygmatu dla wielowymiarowych kumulantów i odpowiadających im nowych obserwabli przepływu; pierwsze eksperymentalne pomiary wyższego rzędu symetrycznych i asymetrycznych kumulantów amplitud przepływu; oraz pierwsze analityczne rozwiązania „kombinatorycznego problemu tła”, który oferują nowy wgląd w to, jak pomiary przepływu w małych układach zderzeniowych powinny być poprawnie interpretowane. Bilandzic i zespół planują dalej badać QGP w LHC, wykorzystując zestawy danych o kilka rzędów wielkości większe: „Umożliwi to po raz pierwszy pomiary obserwabli, które wcześniej były niewykonalne ze względu na ograniczone statystyki”.
Słowa kluczowe
QGP-MYSTERY, Wielki Wybuch, tajemnica, kwark, stan, materia, LHC, cząstki
