Νέα ανακάλυψη στον LHC: Πρώτη εικόνα του «ίχνους» κουάρκ στο πλάσμα της Μεγάλης Έκρηξης
Επιστήμονες του CERN εντόπισαν για πρώτη φορά ένα σπάνιο σήμα που αφήνει ένα κουάρκ υψηλής ενέργειας, προσφέροντας σημαντικά στοιχεία για την πρωταρχική ύλη του Σύμπαντος.
Συγκρούσεις βαρέων πυρήνων στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN αποκάλυψαν για πρώτη φορά ένα εξαιρετικά αμυδρό «ίχνος» που αφήνει ένα υψηλής ενέργειας κουάρκ καθώς διασχίζει πλάσμα κουάρκ-γλουονίων. Αυτή η πρωταρχική μορφή ύλης πιστεύεται ότι γέμιζε το Σύμπαν λίγα μικροδευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Τα νέα ευρήματα της συνεργασίας Compact Muon Solenoid (CMS), που δημοσιεύθηκαν στις 25 Δεκεμβρίου 2025 στο περιοδικό Physics Letters B, προσφέρουν νέα δεδομένα για τη συμπεριφορά της ύλης στις πρώτες στιγμές της κοσμικής ιστορίας.
Τι είναι το πλάσμα κουάρκ-γλουονίων;
Το πλάσμα κουάρκ-γλουονίων είναι μια ακραία κατάσταση ύλης που υπήρχε στα πρώτα μικροδευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Σε αυτές τις συνθήκες, η θερμοκρασία και η πυκνότητα είναι τόσο υψηλές ώστε τα πρωτόνια και τα νετρόνια «λιώνουν» και τα βασικά τους συστατικά — τα κουάρκ και τα γλουόνια — κινούνται ελεύθερα, χωρίς να είναι εγκλωβισμένα μέσα στους ατομικούς πυρήνες. Οι φυσικοί θεωρούν ότι το πλάσμα αυτό αποτέλεσε την πρώτη μορφή ύλης στο Σύμπαν, πριν αυτό ψυχθεί και σχηματιστούν τα γνωστά σωματίδια και τελικά τα άτομα.
Αναδημιουργώντας τις συνθήκες του πρώιμου Σύμπαντος
Όταν βαρείς ατομικοί πυρήνες συγκρούονται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός στον LHC, λιώνουν προσωρινά σε μια ακραία κατάσταση ύλης γνωστή ως πλάσμα κουάρκ-γλουονίων. Σε αυτό το περιβάλλον, η πυκνότητα και η θερμοκρασία είναι τόσο υψηλές ώστε η κανονική δομή των ατόμων καταρρέει και τα κουάρκ και τα γλουόνια – οι φορείς της ισχυρής πυρηνικής δύναμης που συγκρατεί τους πυρήνες – κινούνται ελεύθερα, συμπεριφερόμενα περισσότερο σαν υπέρθερμο υγρό παρά σαν αέριο σωματιδίων.
Το «σταγονίδιο» αυτού του πλάσματος είναι εξαιρετικά μικρό, με διάμετρο περίπου 10⁻¹⁴ μέτρα, δηλαδή 10.000 φορές μικρότερο από ένα άτομο, και διαρκεί ελάχιστο χρονικό διάστημα. Παρ’ όλα αυτά, στο εσωτερικό του παρατηρείται συλλογική ροή των κουάρκ και γλουονίων. Οι φυσικοί επιδιώκουν να κατανοήσουν πώς αλληλεπιδρούν σωματίδια υψηλής ενέργειας με αυτό το μέσο. Η θεωρία προέβλεπε ότι ένα κουάρκ που διαπερνά το πλάσμα θα άφηνε πίσω του ένα «ίχνος», ανάλογο με το κύμα που δημιουργεί ένα σκάφος στο νερό: συσσώρευση ύλης μπροστά του και μια ελαφρά «υποχώρηση» πίσω του.
Η ανίχνευση αυτού του φαινομένου είναι ιδιαίτερα δύσκολη, καθώς το πλάσμα είναι μικροσκοπικό και οι αλληλεπιδράσεις στην «μπροστινή» περιοχή του κουάρκ είναι έντονες, καθιστώντας δύσκολη τη διάκριση των σημάτων.
Ο ρόλος του μποζονίου Ζ
Για να απομονώσουν το αναμενόμενο ίχνος, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα «καθαρό» σωματίδιο αναφοράς: το μποζόνιο Ζ, φορέα της ασθενούς πυρηνικής δύναμης. Σε ορισμένες συγκρούσεις, παράγονται ταυτόχρονα ένα μποζόνιο Ζ και ένα κουάρκ υψηλής ενέργειας, τα οποία κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Σε αντίθεση με τα κουάρκ και τα γλουόνια, το μποζόνιο Ζ δεν αλληλεπιδρά ουσιαστικά με το πλάσμα και διαφεύγει αλώβητο, επιτρέποντας στους ερευνητές να καθορίσουν με ακρίβεια την αρχική κατεύθυνση και ενέργεια του κουάρκ.
Η ομάδα του CMS μέτρησε συσχετίσεις μεταξύ των μποζονίων Ζ και των αδρονίων – σύνθετων σωματιδίων που αποτελούνται από κουάρκ – που προέκυπταν από τις συγκρούσεις. Αναλύοντας τον αριθμό των αδρονίων στην «πίσω» κατεύθυνση σε σχέση με την κίνηση του κουάρκ, εντόπισαν την προβλεπόμενη μεταβολή.