Międzynarodowy zespół naukowców opublikował nowy raport, który zmierza w kierunku lepszego zrozumienia zachowania niektórych najcięższych cząstek we wszechświecie w ekstremalnych warunkach, które są podobne do tych tuż po Wielkim Wybuchu. Artykuł, opublikowany w czasopiśmie Physics Reports, jest podpisany przez fizyków Juana M. Torres-Rincóna z Institute of Cosmos Sciences z University of Barcelona (ICCUB), Santosh K. Das z Indian Institute of Technology Goa (Indie) i Ralf Rapp, z Texas A & M University (Stany Zjednoczone).
Autorzy opublikowali kompleksową recenzję, która bada, w jaki sposób cząstki zawierające ciężkie kwarki (znane jako urok i hadrony dolne) oddziałują w gorącym, gęstym środowisku zwanym materią hadroniczną. Środowisko to powstaje w ostatniej fazie wysokoenergetycznych zderzeń jąder atomowych, takich jak te, które odbywają się przy dużym zderzeniu hadronowym (LHC) i relatywistycznym zdeolacji jonów ciężkich (RHIC). Nowe badanie podkreśla znaczenie włączenia interakcji hadronicznych do symulacji w celu dokładnego interpretacji danych z eksperymentów w tych dużych infrastrukturach naukowych.
Badanie poszerza perspektywę zachowania materii w ekstremalnych warunkach i pomaga rozwiązać niektóre wielkie niewiadome na temat pochodzenia wszechświata.
Odtwarzanie pierwotnego wszechświata
Kiedy dwa jądra atomowe zderzają się przy prawie światłach, generują temperatury ponad 1000 razy wyższe niż te w centrum Słońca. Te zderzenia krótko wytwarzają stan materii zwany osoczem kwarków-gluon (QGP), zupą z podstawowych cząstek, które istniały mikrosekund po Wielkim Wybuchu. Gdy ten osocze chłodzi, przekształca się w materię hadroniczną, fazę złożoną z cząstek takich jak protony i neutrony, a także inne barony i mezony.
Badanie koncentruje się na tym, co dzieje się z hadronami ciężkimi (cząsteczki zawierające kwarki oczarowane lub tła, takie jak D i B mezony) podczas tego przejścia i ekspansji fazy hadronicznej.
Ciężkie cząstki jako sondy
Ciężkie kwarki są jak małe czujniki. Będąc tak masywnym, są produkowane tuż po początkowej kolizji nuklearnej i poruszają się wolniej, w ten sposób oddziałując inaczej z otaczającą materią. Wiedza o tym, jak rozpraszają się i rozprzestrzenia, jest kluczem do poznania właściwości medium, przez które podróżują.
Naukowcy dokonali przeglądu szerokiego zakresu modeli teoretycznych i danych eksperymentalnych, aby zrozumieć, w jaki sposób ciężkie hadry, takie jak mezony D i B, oddziałują z cząstkami światła w fazie hadronicznej. Zbadali również, w jaki sposób te interakcje wpływają na obserwowalne ilości, takie jak strumień cząstek i utrata pędu.
„Aby naprawdę zrozumieć, co widzimy w eksperymentach, ważne jest, aby obserwować, jak ciężkie cząsteczki poruszają się i oddziałują również na późniejszych stadiach tych kolizji nuklearnych”, mówi Juan M. Torres-Rincón, członek Departamentu Fizyki Kwantowej oraz Astrophysics i ICCUB.
„Ta faza, gdy system już się ochłodzi, nadal odgrywa ważną rolę w tym, jak cząsteczki tracą energię i przepływ razem. Konieczne jest również rozwiązanie właściwości mikroskopowych i transportowych tych ciężkich systemów tuż przy punkcie przejściowym do plazmy Quark-Gluon”, kontynuuje. „Jest to jedyny sposób na osiągnięcie stopnia precyzji wymaganego przez obecne eksperymenty i symulacje”.
Można zastosować prostą analogię do lepszego zrozumienia tych wyników: kiedy wrzucamy ciężką piłkę do zatłoczonego basenu, nawet po rozproszeniu największych fal, piłka nadal się porusza i zderzy się z ludźmi. Podobnie, ciężkie cząstki powstałe w zderzeniach jądrowych nadal oddziałują z innymi cząstkami wokół nich, nawet po najgorętszej i najbardziej chaotycznej fazie. Te ciągłe interakcje subtelnie modyfikują ruch cząstek, a badanie tych zmian pomaga naukowcom lepiej zrozumieć warunki wczesnego wszechświata. Ignorowanie tej fazy oznaczałoby zatem brak ważnej części historii.
Patrząc w przyszłość
Zrozumienie, jak ciężkie cząstki zachowują się w gorącej materii, ma fundamentalne znaczenie dla mapowania właściwości wczesnego wszechświata i podstawowych sił, które to rządzą. Odkrycia utorują również drogę do przyszłych eksperymentów w niższych energiach, takich jak te planowane w Super Proton Super Synchrotron CERN (SPS) i Future Fair Fair w Darmstadt w Niemczech.