Gdy w tunelu akceleratora LHC w ośrodku CERN pod Genewą zderzają się jądra ołowiu pędzące niemal z prędkością światła, materia na ułamki sekund przechodzi do najbardziej egzotycznego stanu znanego współczesnej fizyce: staje się plazmą kwarkowo-gluonową. Nowe informacje o właściwościach tej plazmy, zebrane dzięki analizie strumieni penetrujących ją cząstek, zostały właśnie opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Physical Review Letters” przez międzynarodowy zespół fizyków pracujących przy detektorze ATLAS, w tym także Polaków z krakowskich jednostek: Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN), Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Akademii Górniczo-Hutniczej. O badaniach poinformowano w przesłanym PAP komunikacie IFJ PAN.

Tuż po uformowaniu się czasoprzestrzeni w Wielkim Wybuchu, Wszechświat wypełniała materia o niezwykłych cechach. Kwarki i gluony, dziś trwale uwięzione we wnętrzach protonów i neutronów, poruszały się swobodnie, tworząc jednorodną „zupę”: plazmę kwarkowo-gluonową. Ten wyjątkowy stan materii, pojawiający się dopiero w temperaturach liczonych w bilionach stopni, fizycy potrafią wytwarzać w akceleratorze LHC, w zderzeniach ciężkich jąder atomowych (ołowiu).

Badanie plazmy kwarkowo-gluonowej jest ogromnym wyzwaniem. Pojawia się ona w dość rzadkich zderzeniach, w bardzo małych ilościach. Na dodatek istnieje tylko ułamki sekund. Po tym czasie błyskawicznie stygnie i przekształca się w lawiny zwyczajnych cząstek. Co więcej, współczesna fizyka nie dysponuje narzędziami zdolnymi bezpośrednio obserwować kwarki czy gluony.

„Na szczęście detektory takie jak ATLAS potrafią rejestrować produkty rozpadów cząstek, które z plazmą kwarkowo-gluonową oddziaływały. Starannie analizując właściwości tych cząstek możemy wyciągać wnioski o cechach samej plazmy” - mówi prof. Barbara Wosiek z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) w Krakowie.

Najwięcej informacji o plazmie kwarkowo-gluonowej niosą cząstki, które w wyniku zderzenia rozbiegają się „na boki”. Fizycy wnioskują, że mogły one po zderzeniu przedrzeć się przez obłok plazmy kwarkowo-gluonowej, by następnie rozpaść się na skupione, wąskie strugi cząstek, nazywane dżetami.

„Te pierwotne cząstki przechodząc przez gęstą i gorącą plazmę tracą energię, co prowadzi do wygaszania/zanikania wysokoenergetycznych dżetów” - uzupełnia prof. Wosiek. Po zrekonstruowaniu dżetów zarejestrowanych dla zderzeń jąder ołowiu, zespół fizyków zestawił wyniki z wnioskami z analizy zderzeń proton-proton, w których plazma kwarkowo-gluonowa nie powinna powstawać. Dzięki temu można było ocenić, jak dżety oddziałują z plazmą. Wyniki pozwoliły badaczom odrzucić część modeli teoretycznych plazmy kwarkowo-gluonowej.

Detektor ATLAS, w którego budowę od początku były zaangażowane instytucje naukowe z Polski, w tym IFJ PAN, jest niezwykle wyrafinowanym urządzeniem o rozmiarach kilkupiętrowej kamienicy. Zbierane przez niego dane o zderzeniach cząstek płyną ponad 100 milionami kanałów elektronicznych, z których w trakcie typowych pomiarów ponad 99 proc. pracuje poprawnie.

PAP - Nauka w Polsce

lt/ mki/