4 Minuten
Visatos užuomazgų atskleidimas per greitintuvų eksperimentus
Mokslininkai žengė reikšmingą žingsnį siekiant geriau suprasti Visatos ankstyvąjį vystymąsi, atkurdami ir analizuodami sąlygas, kurios mikrosekundėmis po Didžiojo sprogimo tvyrojo mūsų kosmose. Naujausia studija, paskelbta žurnale Physics Reports, suteikia naujos informacijos apie tai, kaip Visatos sunkiausios pagrindinės dalelės – vadinamos sunkiaisiais kvarkais – reaguoja ir sąveikauja esant itin ekstremalioms sąlygoms. Šie rezultatai ne tik praturtina mūsų žinias apie ankstyvąją kosminę evoliuciją, bet ir leidžia geriau suprasti fundamentaliąsias jėgas, formuojančias pažįstamąjį pasaulį.
Mokslinis kontekstas: sunkieji kvarkai ir kvarkų-gliuonų plazma
Tarptautinė tyrėjų komanda iš Barselonos universiteto, Indijos technologijos instituto ir Teksaso A&M universiteto tyrė daleles, kurių sudėtyje yra sunkieji kvarkai – ypač žavumo (charm) ir grožio (bottom) kvarkai. Šios subatominės dalelės, iš kurių susiformuoja hadronai, tokie kaip D bei B mezonai, priskiriamos prie pačių masyviausių žinomų elementariųjų dalelių dalelių fizikoje.
Sunkieji kvarkai itin domina fizikus, nes jų elgesys atskleidžia esmines medžiagos savybes sąlygomis, panašiomis į tas, kurios vyravo ankstyvojoje Visatoje. Skirtingai nei lengvi aukštyn ir žemyn kvarkai, randami protonuose ir neutronuose, sunkieji kvarkai yra reti ir susiformuoja tik labai didelės energijos aplinkose – tokiose, kurios sukuriamos pažangiausiuose dalelių greitintuvuose.
Ankstyvosios Visatos sąlygų atkūrimas laboratorijoje
Tam, kad atkurtų tokias ekstremalias sąlygas, mokslininkai pasitelkia pažangius dalelių greitintuvus, tokius kaip Didysis hadronų greitintuvas (LHC) CERN’e ir Reliatyvistinis sunkiųjų jonų greitintuvas (RHIC) JAV. Susiduriančios sunkios atomų branduolių srovės, judančios beveik šviesos greičiu, trumpam sukuria temperatūras, kurios net tūkstančius kartų viršija Saulės branduolio temperatūrą.
Tokių aukštos energijos susidūrimų metu akimirksniu užgimsta ypatinga medžiagos būsena vadinama kvarkų-gliuonų plazma. Ši pirminė „sriuba“ iš laisvų kvarkų ir gliuonų atspindi Visatos būklę mažiau nei milijonąją sekundės dalį po Didžiojo sprogimo. Vėstant šiai įkaitusiai plazmai, ji virsta hadronine medžiaga – formuojasi pažįstami protonai, neutronai ir retesni barionai bei mezonai. Šio perėjimo supratimas yra itin svarbus norint atkurti kelią nuo pirminio dalelių chaoso iki struktūrizuotų atomų, sudarančių dabartinę Visatą.
Sunkieji kvarkai: natūralūs zondai ekstremalioje medžiagoje
Sunkieji kvarkai šiuose eksperimentuose atlieka ypatingą, tarsi „jutiklių“, funkciją. Dėl didelės masės jie juda lėčiau nei lengvosios dalelės, todėl jų reakcija į aplinką yra unikali ir leidžia efektyviai atsekti procesus kvarkų-gliuonų plazmoje. Kaip paaiškina Barselonos universiteto mokslininkas dr. Juan M. Torres-Rincón: „Net atvėsus sistemai, sunkios dalelės toliau sąveikauja, atskleisdamos, kaip vyksta energijos praradimas ir medžiagos transformacija šio perėjimo metu. Jei šią fazę praleistume, mūsų žiniose liktų svarbi spraga.“
Pavyzdžiui, galima įsivaizduoti, kad į stipriai užpildytą baseiną įmetama sunki plyta. Net po pirminio plūsčio plyta ir toliau keičia aplinką – juda pro kitus plaukikus ir vandenį, paveikdama judėjimą net tada, kai pagrindinės bangos jau yra nuslūgusios. Panašiai ir sunkieji hadronai greitintuvų eksperimentuose nuolat susiduria su lengvesnėmis dalelėmis, lemia dalelių srautą ir energijos sklaidą, kurią galima išmatuoti.
Pagrindiniai atradimai ir reikšmė
Ankstesni tyrimai daugiausia dėmesio skyrė ankstyviausiai ir karščiausiai kvarkų-gliuonų plazmos fazei. Tačiau naujausioje studijoje išryškėja, kad vėlesnis atvėsimo etapas – kai plazma virsta hadronine medžiaga – yra ne mažiau svarbus inžineruojant, kaip subatominės dalelės praranda energiją ir susitvarko. Kompleksinės sąveikos tarp sunkiųjų mezonų (D ir B mezonai) ir lengvųjų dalelių labai veikia eksperimentinius duomenis ir tobulina mūsų Visatos ankstyvosios evoliucijos modelius.
Tokios įžvalgos itin aktualios aiškinant dabartinių ir ateities eksperimentų rezultatus. Tyrėjų komanda atveria kelią naujiems bandymams mažesnės energijos susidūrimuose, pavyzdžiui, numatomiems CERN Superprotonų sinchrotrone ir būsimame Antiprotonų ir jonų tyrimų centre (FAIR) Vokietijoje. Tokie tyrimai gali padėti išspręsti kai kurias didžiausias šiuolaikinės kosmologijos ir dalelių fizikos mįsles.
Išvados
Atkurdami Visatos pirmąsias mikrosekundes galinguose dalelių greitintuvų eksperimentuose, mokslininkai atskleidžia, kaip medžiaga perėjo iš pirminės būsenos į sudėtingas struktūras, užpildančias mūsų erdvę šiandien. Išsamiai tiriant sunkiųjų kvarkų elgseną, kuriami ankstytos ir tankios medžiagos savybių žemėlapiai, geriau suprantamos jėgos, lemiančios transformaciją. Šie tyrimai priartina prie atsakymų, kaip kilo Visata, kokia yra materijos prigimtis ir kokie pagrindiniai fizikos dėsniai lėmė mūsų kosminę istoriją.
Quelle: universetoday
Kommentare