Iškart po Didžiojo sprogimo Visata buvo įkaitusi iki trilijono laipsnių ir priminė neįsivaizduojamo tankio plazmos „sriubą“. Dabar, proveržį pasiekę mokslininkai pirmą kartą pateikė įrodymų, kad ši egzotiška pradinių laikų medžiaga iš tiesų tyvuliavo ir sruvo kaip skystis.
Ši „sriuba“ moksliškai vadinama kvarkų–gliuonų plazma (QGP). Tai – pirmoji ir karščiausia kada nors egzistavusi būsena, primenanti tobulą skystį. Skaičiavimai rodo, kad ji buvo maždaug milijardą kartų karštesnė už Saulės paviršių, tačiau egzistavo tik kelias milijonąsias sekundės dalis, kol visata išsiplėtė, atvėso ir ši plazma virto atomais.
Naujausiame tyrime MIT ir CERN fizikų komanda atkūrė sunkiųjų jonų susidūrimus – tokius, kokie turėjo vykti ankstyvojoje Visatoje – kad ištirtų QGP savybes. Vienas esminių klausimų: kai kvarkas skrieja per šią plazmą, ar ji elgiasi kaip vientisas skystis ir sudaro purslus bei sūkurius, ar kaip atsitiktinai judančių dalelių debesis?
Tam mokslininkai analizavo duomenis apie švino branduolių susidūrimus, įvykusius beveik šviesos greičiu CERN Didžiajame hadronų greitintuve (LHC). Tokie susidūrimai sukuria energingų dalelių, tarp jų kvarkų, pluoštus ir trumpalaikes kvarkų–gliuonų plazmos lašelių sankaupas – tą pačią medžiagą, kuri pripildė kūdikystės laikų Visatą.
Pasitelkę unikalią duomenų analizės strategiją, suteikusią kur kas aiškesnį vaizdą nei ankstesni eksperimentai, fizikai atsekė kvarkų judėjimą per QGP ir sudarė plazmos energijos žemėlapį po susidūrimų.
„Dabar matome, kad plazma yra nepaprastai tanki – tokia, kad sugeba sulėtinti kvarką ir sukuria purslus bei sūkurius kaip skystis. Taigi kvarkų–gliuonų plazma iš tiesų yra pirminė kosminė sriuba“, – aiškina MIT fizikas Yen-Jie Lee.
Per QGP skriejantys kvarkai dalį savo energijos perduoda plazmai, dėl to sulėtėja ir už savęs palieka pėdsaką – vadinamąją bangą, panašią į greito laivo sukeliamą vandens bangavimą.
„Analogiškai, kai valtis juda ežeru, už jos lieka vilnys – vanduo, judantis valties kryptimi. Valtis perduoda dalį savo judesio tam tikram vandens tūriui, kuris tarsi „seka“ paskui ją“, – aiškina MIT fizikas Krishna Rajagopal, sukūręs QGP skysčio savybes prognozuojantį teorinį modelį.
Vandenyje laivo keliama banga matoma plika akimi, tačiau QGP atveju viskas kur kas sudėtingiau. Plazmos lašelis egzistuoja trilijono laipsnių temperatūroje ir trunka tik kvadrilijoninę sekundės dalį, o jame judančios dešimtys tūkstančių dalelių glaudžiai sąveikauja tarpusavyje. Tarp šio chaoso reikia aptikti vos kelias daleles, kurių trajektorija pakito dėl kvarko sukeltos bangos.
Be to, kai LHC susidūrimuose susidaro kvarkai, jie praktiškai niekada nebūna vieni. Paprastai jie gimsta poromis su antikvarkais – tokiais pačiais, tik priešingą krūvį turinčiais dalelės „veidrodiniais atspindžiais“. Kvarkas ir antikvarkas lekia priešingomis kryptimis vienodu greičiu, kiekvienas kuria savo bangą plazmoje – tai labai apsunkina aiškaus signalo paiešką.
Todėl naujajame tyrime mokslininkai pasirinko kitokį kelią. Užuot ieškoję kvarko ir antikvarko porų, jie susitelkė į retesnius įvykius, kai susidūrimai sukuria kvarką ir Z bozono dalelę. Z bozonas yra elektriškai neutralus elementarusis dalelės tipas, kuris su QGP beveik nesąveikauja ir bangos nesukelia.
Tokie įvykiai itin reti: iš 13 milijardų susidūrimų, kuriuos išanalizavo tyrėjai, tik apie 2 000 atvejų pasirodė Z bozonas. Tačiau būtent dėl to, kad Z bozonas nedaro įtakos plazmai, mokslininkai sugebėjo pirmą kartą švariai išmatuoti vieno skriejančio kvarko sukeltą bangą QGP viduje. Kaip ir prognozavo Rajagopalo modelis, plazma elgėsi kaip skystis – ji plūdo, slūgsojo ir sruvo kvarko paliktu taku.
Pats Rajagopalas šiuos rezultatus vadina „nepriekaištingu, nedviprasmišku įrodymu“, kad kvarkų–gliuonų plazma iš tiesų pasižymi skysčiui būdingomis savybėmis. Tačiau ginčas, ar ši medžiaga elgiasi kaip skystis, ar kaip dalelių dujų debesys, fizikos bendruomenėje dar tikriausiai nesibaigs – tyrimo išvadas neabejotinai detaliai nagrinės ir kiti mokslininkai.
Vis dėlto naujasis metodas suteikia tvirtą pagrindą toliau tyrinėti panašius procesus kitų tipų aukštos energijos susidūrimuose. Tai gali padėti geriau suprasti vieną paslaptingiausių kada nors Visatoje egzistavusių medžiagų.
„Daugelyje mokslo sričių medžiagos savybes sužinome ją kaip nors sudrumstę ir stebėdami, kaip tas sutrikimas plinta ir išnyksta“, – primena Rajagopalas.
Ir būtent tai, pasak fizikų, daro šią sritį tokią žavią: jei nesate tikri, kaip kas nors veikia, galite tiesiog susprogdinti tai beveik šviesos greičiu ir pažvelgti į pasekmes.
