Przez
Artystyczna wizja rozpylonych cząstek powstających w wyniku zderzenia dwóch ciężkich atomów. Gdy gorąca zupa subatomowa ochładza się, nowo powstałe cząstki wylatują w przestrzeń kosmiczną. Źródło: Joseph Dominicus Lap, pod redakcją
Naukowcy odtworzyli ekstremalne warunki wczesnego Wszechświata w akceleratorach cząstek, ujawniając zaskakujące spostrzeżenia na temat powstawania materii.
Nowe obliczenia pokazują, że nawet 70% niektórych cząstek może pochodzić z późniejszych reakcji, a nie z początkowej zupy kwarkowo-gluonowej powstałej tuż po Wielki Wybuch. Odkrycie to podważa wcześniejsze założenia dotyczące harmonogramu powstawania materii i sugeruje, że znaczna część otaczającej nas materii powstała później, niż oczekiwano. Rozumiejąc te procesy, naukowcy mogą lepiej interpretować wyniki eksperymentów ze zderzaczami i udoskonalać swoją wiedzę na temat pochodzenia Wszechświata.
Odtwarzanie ekstremalnych warunków wczesnego Wszechświata
Wczesny Wszechświat był 250 000 razy gorętszy niż jądro naszego Słońca. Jest o wiele za gorąco, aby mogły powstać protony i neutrony, z których składa się materia codzienna. Naukowcy odtwarzają warunki panujące we wczesnym Wszechświecie w akceleratorach cząstek, zderzając atomy z prędkością bliską prędkości światła. Pomiar powstałego deszczu cząstek pozwala naukowcom zrozumieć, w jaki sposób powstała materia.
Cząstki mierzone przez naukowców mogą powstawać na różne sposoby: z pierwotnej zupy kwarków i gluonów lub z późniejszych reakcji. Te późniejsze reakcje rozpoczęły się 0,000001 sekundy po Wielkim Wybuchu, kiedy złożone cząstki zbudowane z kwarków zaczęły ze sobą oddziaływać. Nowe obliczenia wykazały, że aż 70% niektórych zmierzonych cząstek pochodzi z tych późniejszych reakcji, a nie z reakcji podobnych do tych zachodzących we wczesnym Wszechświecie.
Zrozumienie pochodzenia materii
Odkrycie to pogłębia naukowe zrozumienie pochodzenia materii. Pomaga określić, ile materii wokół nas powstało w ciągu pierwszych ułamków sekundy po Wielkim Wybuchu, w porównaniu z ilością materii powstałej w późniejszych reakcjach, gdy Wszechświat się rozszerzał. Wynik ten sugeruje, że duże ilości otaczającej nas materii powstały później, niż oczekiwano.
Aby zrozumieć wyniki eksperymentów ze zderzaczem, naukowcy muszą pominąć cząstki powstałe w późniejszych reakcjach. Tylko te powstałe w zupie subatomowej ujawniają wczesne warunki wszechświata. Nowe obliczenia pokazują, że liczba zmierzonych cząstek powstałych w reakcjach jest znacznie wyższa niż oczekiwano.
Znaczenie późniejszych reakcji w tworzeniu się cząstek
W latach 90. fizycy zdali sobie sprawę, że pewne cząstki powstają w znacznych ilościach w wyniku późniejszych reakcji zachodzących w początkowej fazie formowania się Wszechświata. Cząsteczki zwane mezonami D mogą oddziaływać ze sobą, tworząc rzadką cząsteczkę – chromium. Naukowcy nie byli zgodni co do tego, jak ważny jest ten efekt. Ponieważ chromium jest rzadkie, trudno je zmierzyć.
Jednak ostatnie eksperymenty dostarczają danych na temat ilości wytwarzanych przez zderzacze czarharmonii i mezonów D. Fizycy z Uniwersytet Yale’a i Duke University wykorzystali nowe dane do obliczenia siły tego efektu. Okazuje się, że ma ono znacznie większe znaczenie, niż się spodziewano. Ponad 70% zmierzonej chrominium może powstać w reakcjach.
Implikacje dla zrozumienia pochodzenia materii
Gdy gorąca zupa cząstek subatomowych ochładza się, rozszerza się w kulę ognia. Wszystko to dzieje się w czasie krótszym niż jedna setna czasu potrzebnego na przebycie światła przez obiekt atom. Ponieważ dzieje się to tak szybko, naukowcy nie są pewni, w jaki sposób kula ognia się rozszerza.
Nowe obliczenia pokazują, że naukowcy wcale nie muszą znać szczegółów tej ekspansji. Niezależnie od zderzeń powstają znaczne ilości chromu. Nowe wyniki przybliżają naukowców o krok do zrozumienia pochodzenia materii.
Odniesienie: „Regeneracja hadronowa J/ψ w zderzeniach Pb+Pb” autorstwa Josepha Dominicusa Lapa i Berndta Müllera, 11 października 2023 r., Litery fizyki B.
DOI: 10.1016/j.physletb.2023.138246
Prace te były wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii w ramach programu Fizyki Jądrowej. Jeden z badaczy wyraża także uznanie dla gościnności i wsparcia finansowego udzielonego podczas pobytu naukowego na Uniwersytecie Yale.
