Parányi atommagok ütköztetésével idézték fel az univerzum legkorábbi pillanatait a CERN fizikusai.
Az ősrobbanás utáni mikrosecundumok ultraforró plazmáját a kutatók korábban csak a legnehezebb elemek, például az ólom atommagjainak ütköztetésével tudták előállítani. A Koppenhágai Egyetem Niels Bohr Intézetének munkatársai és az ALICE nemzetközi kutatócsoport szakemberei viszont bebizonyították, hogy a folyamat lényegesen kisebb tömegű atommagokkal is lejátszódik. A Physical Review Letters folyóiratban közzétett kutatás szerint az oxigén-16 és a neon-20 magok fénysebességhez közeli ütköztetése során keletkező részecskék a korai kozmosz állapotát mintázzák, miközben maguknak az atommagoknak a geometriai alakját is kirajzolják.
Tekebábu és piramis alakú mintázatok a részecskegyorsítóban
Amikor az atommagok extrém energiával ütköznek a Nagy Hadronütköztetőben (LHC), az összetevőik egyetlen pillanatra apró, rendkívül forró anyagcseppé olvadnak össze. Ez a kvark-gluon plazma néven ismert állapot a világmindenség első milliomod másodpercét jellemezte, amikor a hőmérséklet még túl magas volt ahhoz, hogy a kvarkok és gluonok protonokká meg neutronokká álljanak össze. Az így keletkező plazmacsepp a másodperc törtrésze alatt kitágul, majd lehűlve megszámlálhatatlanul sok részecskévé alakul át, amelyeket a detektorok rögzítenek.
A fizikatanárok és tankönyvek évtizedek óta gömb alakúként ábrázolják az atommagokat, ám a valóság ennél összetettebb. A kísérletek rávilágítottak arra, hogy az oxigén-16 atommagja leginkább egy háromdimenziós piramissá elrendeződő szerkezetre hasonlít, míg a neon-20 alakja kifejezetten egy tekebábura emlékeztet. Amikor a gömbhöz közeli vagy piramis jellegű oxigénmagok csapódnak egymásnak, a szétrepülő részecskék köralakú eloszlást mutatnak. Ezzel szemben a megnyúlt, tekebábu formájú neonmagok ütközésekor a kirepülő részecskék iránya elnyújtott, jellegzetes mintát vesz fel.
A kutatást vezető You Zhou hangsúlyozta, hogy a részecskék mozgási iránya közvetlenül visszatükrözi a kiindulási atommag geometriáját. A folyamat pontosan úgy működik, mint amikor egy tárgyat fénnyel világítunk meg: magát a tárgyat közvetlenül nem látjuk, de az általa vetett árnyékból pontosan rekonstruálható annak formája. A részecskék szóródása ebben az esetben az atommag árnyékaként szolgál a fizikusok számára.
A csillagászati méretű feszültség és az erős kölcsönhatás titka
Az atommagok pontos szerkezetének feltárása nem csupán geometriai rejtvény. Az alak közvetlen információt szolgáltat a természet négy alapvető kölcsönhatásának egyikéről, az erős kölcsönhatásról, amely a protonokat és neutronokat összetartja a magban. A magfizikusok korábban alacsony energiájú rezgések és forgások mérésével próbálták feltérképezni ezt a belső elrendeződést. A CERN csapata most megfordította a megközelítést: ahelyett, hogy óvatosan vizsgálnák a magokat, az elérhető legnagyobb energiával zúzzák szét őket, a törmelékek mozgásából pedig kiolvassák az eredeti térszerkezetet.
Ez a módszer komoly áttörést hozhat a magfizikai kutatásokban, mivel olyan atommagok belső szerkezetét is elérhetővé teszi, amelyeket a hagyományos eljárásokkal eddig nem sikerült alaposabban megérteni. A mérések sorozatában mintegy hárommilliárd oxigén-oxigén és négyszázmillió neon-neon ütközést rögzítettek, ami garantálja az eredmények statisztikai megbízhatóságát. A megszerzett adatokból a szakemberek kiszámították a keletkező folyadék viszkozitását és áramlási tulajdonságait is.
A részecskék viselkedése megerősítette, hogy a kvark-gluon plazma még ilyen kis méretű ütközésekben is szinte súrlódásmentes, tökéletes folyadékként viselkedik. Ez az észrevétel kulcsfontosságú annak megértéséhez, miként alakult át a kozmosz a kezdeti forró levesből a ma látható csillagokká, bolygókká és kémiai elemekké.
Merre tolódnak a miniatűr ősrobbanás határai
A részecskefizikusok jelenleg azt próbálják meghatározni, mekkora a legkisebb olyan atommag, amelynél még kialakulhat a kvark-gluon plazma. A kutatócsoport a következő szakaszban még könnyebb elemekkel, például hélium-4 atommagokkal tervez kísérleteket végezni, hogy megtalálják a miniatűr ősrobbanás alsó fizikai határát.
A Niels Bohr Intézet munkatársa, Emil Gorm Dahlbæk Nielsen kiemelte, hogy a kísérlet két szempontból is értékes. Ugyanazzal a méréssorozattal egyszerre nyerhető betekintés az atommagok szubatomi felépítésébe és az univerzum keletkezésének első pillanataiba. A két szakterület összekapcsolódása új utakat nyit a kozmológia és a kvantum-színdinamika számára.
A CERN kísérletei így az univerzum születésének történetét egészítik ki friss részletekkel, miközben egy újszerű mérési eszközt adnak a fizikusok kezébe a mikroszkopikus világ feltérképezéséhez.
