CERN badacze odkryli, że kształty jąder atomowych wpływają na wyniki zderzeń wysokoenergetycznych, oferując nowy wgląd w strukturę jądrową i wczesny Wszechświat.
Na podstawie eksperymentu przeprowadzonego w CERN, w ramach współpracy prowadzonej przez Instytut Nielsa Bohra na Uniwersytecie w Kopenhadze, można przewidzieć niezbadane dotychczas zmiany w kształcie jąder.
Współpraca między Instytutem Nielsa Bohra (NBI) a grupą teoretyczną z Uniwersytetu w Pekinie otworzyła drzwi do nowego spojrzenia na jądro atomowe z nieoczekiwanego punktu widzenia. Okazuje się, że ewolucja najbardziej gwałtownych zderzeń między jądrami, jakie bada się w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN, zależy od warunków początkowych, czyli geometrii i kształtu zderzających się jąder, które znajdują się w stanie podstawowym. Co bardziej zaskakujące, odkrycie to pozwala nam również określić właściwości zderzających się jąder, których nie można łatwo zbadać innymi metodami.
Naukowcy przewidzieli, jak zmiany kształtu i fluktuacje zderzających się jąder wpłyną na wynik warunków ekstremalnie wysokoenergetycznych. Toruje drogę do dalszych badań, które pozwolą na lepsze zrozumienie dynamicznego zachowania jąder. Artykuł naukowy dotyczący wyników został przyjęty do publikacji w prestiżowym czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego.
Przewidywania mają charakter teoretyczny, ale opierają się na eksperymencie przeprowadzonym w wiodącym na świecie ośrodku badań fizycznych, CERN w Szwajcarii.
„Badania stanowią znaczący krok naprzód w zrozumieniu struktury jądrowej, rzucając światło na to, w jaki sposób wewnętrzne kształty jąder mogą ulegać przemianom” – mówi You Zhou, profesor nadzwyczajny w NBI. Kierował projektem finansowanym przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN) w ramach współpracy NBI z grupą profesora Huichao Songa z Uniwersytetu Pekińskiego w Chinach.
W kształcie futbolu amerykańskiego
Jądra różne atom gatunek mają różne kształty, od okrągłych po owalne. W swoich badaniach Zhou i jego współpracownicy skupili się na Xenonie, który ma owalny kształt przypominający futbol amerykański.
Co więcej, ksenon jest jednym z kilku atomów, które mogą mieć różne konfiguracje – kulistą, wydłużoną lub spłaszczoną – i będą występować naprzemiennie w zależności od dokładnej równowagi sił występujących wewnątrz jądra atomowego. Takie zmiany, zwane zmianami kształtu jądra, są nie tylko kluczem do stabilności pierwiastków, ale także pozwalają na głębszy wgląd w naturę silnych oddziaływań między protonami i neutronami.
Podczas 8-godzinnego eksperymentu atomy ksenonu zderzyły się w najpotężniejszym na świecie akceleratorze cząstek, Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN. To przyspiesza jądra ksenonu do prędkości bliskiej prędkości światła. Gdy jądra zderzają się ze sobą, temperatura może wzrosnąć do około 5 bilionów stopni Celsjusz (°C), w wyniku czego składniki jądra c – protony i neutrony – rozpadają się na mniejsze składniki, kwarki i gluony, tworząc tzw. kwark-gluon osoczew skrócie QGP.
Bardzo zaskakujące odkrycie
Ekstremalnie wysokie temperatury można utrzymać tylko przez bardzo krótki czas. Warunki zainteresowania istnieją przez mniej niż 10 lat-24 towary drugiej jakości. To znacznie krócej niż jakikolwiek pomiar.
„Dlatego nie możemy śledzić poszczególnych etapów, które wynikają ze zderzenia atomów. Musimy przyjrzeć się powstałym produktom i zrekonstruować procesy, aby dopasować je do ustaleń” – wyjaśnia profesor Jens Jørgen Gaardhøje z NBI.
To żmudna praca związana z interpretacją danych eksperymentalnych zapewniła nowe spostrzeżenia, mówi You Zhou:
„Uzyskane dane można wyjaśnić jedynie wtedy, gdy założymy, że jądra ksenonu mają kształt przypominający futbol amerykański. Jest to zgodne z tym, czego ludzie nauczyli się w przeszłości, ale wciąż zaskakujące, ponieważ energia w tym badaniu jest milion razy wyższa niż we wcześniejszych eksperymentach. Ogólne założenie zawsze było takie, że wynik zderzeń przy bardzo wysokich energiach zamazuje jakąkolwiek tożsamość zderzających się jąder i że pierwotna geometria może nie odgrywać znaczącej roli dla powstałych produktów.
Doskonała ciecz wypełniła dziecięcy Wszechświat
Jak to często bywa w przypadku badań podstawowych, zaskakujący wynik przyniósł dodatkową korzyść. Głównym celem eksperymentu wysokoenergetycznych zderzeń jądrowych nie było badanie zmian kształtu jądra, ale raczej uzyskanie wglądu w młody Wszechświat. Ekstremalnie wysoka temperatura, jaką można uzyskać za pomocą LHC, odpowiada warunkom, które istniały zaledwie jedną milionową sekundy później Wielki Wybuch i wcześniej.
„Według naszych poprzednich pomiarów w LHC, przy tak wysokim poziomie energii plazma kwarkowo-gluonowa jest cieczą o bardzo małej lepkości. To właśnie nazywamy cieczą idealną” – relacjonuje You Zhou, kontynuując: „Eksperyment miał na celu zbadanie, jak zmienia się lepkość plazmy w miarę ewolucji układu”.
Dzięki sprytnej metodologii było to możliwe
Ze 129 nukleonami (54 protonami i 75 neutronami) ksenon jest dużym atomem. Gdy dwa atomy ksenonu zderzają się czołowo w LHC, powstaje do około 30 000 mniejszych cząstek – głównie kwarków i gluonów oraz ich antycząstek. Obliczenie właściwości i korelacji tak wielu cząstek jest niemożliwe nawet przy użyciu najlepszych superkomputerów.
„Zakładano, że skorelowanie 3 cząstek wystarczy, aby zbadać trójosiową strukturę ksenonu. Wyniki okazały się jednak zbyt przybliżone i postanowiliśmy rozszerzyć próbki do 6 cząstek, aby sprawdzić, czy ksenon ma stałą strukturę trójosiową, czy też jego kształt się zmienia” – mówi You Zhou.
Przejście z 3 do 6 cząstek nie było łatwą decyzją, ponieważ ilość obliczeń rośnie wykładniczo z każdą dodaną cząstką.
„Na szczęście udało nam się opracować algorytm, który pozwala nam bardzo efektywnie wykonywać obliczenia. Możemy więc sobie poradzić bez konieczności stosowania superkomputerów. O ile nam wiadomo, jesteśmy jedną z niewielu grup na świecie, która jest w stanie to zrobić. Otwiera to nie tylko znacznie bardziej wyrafinowane badania właściwości plazmy kwarkowo-gluonowej, ale także warunków początkowych i ich ewolucji w procesie ekspansji” – zauważa Jens Jørgen Gaardhøje.
Grupa ma nadzieję znaleźć czas w LHC na kolejny eksperyment latem 2025 roku.
Odniesienie: „Exploring the Nuclear-Shape Phase Transition in Ultrarelativistic Xe129+Xe129 Collisions at the LHC”, Shujun Zhao, Hao-jie Xu, You Zhou, Yu-Xin Liu i Huichao Song, 4 listopada 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.192301
