Neposredno nakon Velikog praska, svemir je bio nezamislivo vruće i gusto mjesto, ispunjeno juhom čestica na temperaturi od nekoliko bilijuna stupnjeva. U revolucionarnom eksperimentu, znanstvenici su pronašli prve izravne dokaze da se ova egzotična primordijalna smjesa doista ponašala poput tekućine, stvarajući valove i vrtloge. Ovo otkriće rješava dugogodišnju raspravu i otvara novi prozor u razumijevanje samih početaka našeg postojanja, piše Science Alert.
Ta praiskonska juha, poznata kao kvark-gluonska plazma, postojala je samo nekoliko milijuntih dijelova sekunde prije nego što se svemir počeo hladiti i širiti. U tom kratkom, ali ključnom razdoblju, kvarkovi i gluoni, fundamentalni gradivni blokovi materije, slobodno su se kretali prije nego što su se povezali u protone i neutrone koje danas poznajemo. Sve do sada, fizičari su teoretizirali da je ta plazma bila "savršena tekućina", no izravni dokazi bili su nedostižni.
Stvaranje Velikog praska u laboratoriju
Kako bi zavirili u to rano doba svemira, koje je za teleskope nevidljivo, znanstvenici u Cernovom Velikom hadronskom sudaraču (LHC) u Švicarskoj rekreiraju ekstremne uvjete koji su vladali neposredno nakon Velikog praska. U akceleratoru dugom 27 kilometara, oni sudaraju teške ione olova pri brzinama bliskim brzini svjetlosti.
Ovi siloviti sudari na trenutak oslobađaju kvarkove i gluone iz atomske jezgre, stvarajući sićušne kapljice kvark-gluonske plazme koje traju tek kvadrilijunti dio sekunde.
Iako je njihovo postojanje prolazno, te kapljice pružaju neprocjenjiv uvid u ponašanje materije pod najekstremnijim uvjetima. Tim fizičara s MIT-ja, u suradnji s međunarodnim timom na eksperimentu CMS razvio je novu tehniku za analizu ovih sudara i napokon uspio promatrati kako se plazma ponaša.
Njihovi rezultati, objavljeni u časopisu Physics Letters B, pružaju najjasnije dokaze do sada da kvark-gluonska plazma nije plin u kojem se čestice nasumično raspršuju, već kohezivna tekućina koja teče kao cjelina.
Tragovi u primordijalnoj juhi
Glavno pitanje koje je mučilo fizičare bilo je kako plazma reagira kada kroz nju projuri čestica visoke energije.
Teorijski modeli predviđali su da bi kvark koji putuje kroz plazmu trebao za sobom ostaviti trag, slično kao što čamac stvara brazdu dok se kreće kroz vodu. Upravo je taj efekt tim sada uspio nedvosmisleno detektirati.
Umjesto da se energija kvarka nasumično rasprši, znanstvenici su opazili da plazma reagira kolektivno, gurajući se i stvarajući mjerljive valove i vrtloge iza čestice u pokretu.
- Sada vidimo da je plazma nevjerojatno gusta, toliko da može usporiti kvark, te stvara prskanje i vrtloge poput tekućine. Dakle, kvark-gluonska plazma uistinu jest primordijalna juha - izjavio je Yen-Jie Lee, profesor fizike na MIT-ju i jedan od voditelja istraživanja.
Zagonetka Z bozona
Detektiranje ovog efekta bio je ogroman izazov. U većini sudara, kvarkovi nastaju u parovima koji odlijeću u suprotnim smjerovima. Problem je u tome što trag jednog kvarka zaklanja i ometa trag onog drugog, što je analizu činilo gotovo nemogućom.
Rješenje je stiglo u obliku rijetkih događaja. Tim je odlučio pretražiti podatke u potrazi za sudarima u kojima nastaje par koji čine jedan kvark i jedan Z bozon.
Z bozon je neutralna čestica koja gotovo uopće ne stupa u interakciju s kvark-gluonskom plazmom. On jednostavno proleti kroz nju ne ostavljajući trag, poput duha.
Budući da kvark i Z bozon u takvom sudaru odlijeću u točno suprotnim smjerovima, Z bozon je poslužio kao savršeni "marker". Znanstvenici su mogli precizno izmjeriti njegovu putanju i energiju te zatim pogledati što se događa na suprotnoj strani. Svaki poremećaj u plazmi na toj strani mogao se pripisati isključivo drugom članu para – kvarku.
Analizirajući trinaest milijardi sudara, pronašli su oko dvije tisuće ovakvih "zlatnih" događaja. U svakom od njih, podaci su pokazivali jasan uzorak koji odgovara brazdi koju bi stvorio kvark koji vuče plazmu za sobom.
Mjerenjem veličine, oblika i brzine kojom ti tragovi nestaju, znanstvenici sada mogu početi proučavati svojstva same plazme, poput njezine viskoznosti, na dosad neviđenoj razini detalja.
Ovo otkriće ne samo da potvrđuje desetljećima stare teorije, već i pruža fundamentalno novu metodu za istraživanje prvog i najtoplijeg oblika tekuće materije u povijesti svemira.