Αν μπορούσαμε να γυρίσουμε το ρολόι του χρόνου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια πίσω, στα πρώτα κιόλας μικροδευτερόλεπτα μετά τη γέννηση του κόσμου, δεν θα βρίσκαμε αστέρια, πλανήτες ή γαλαξίες.
Το σύμπαν ήταν μια απέραντη, ασύλληπτα καυτή «σούπα» από ελεύθερα υποατομικά σωματίδια. Από αυτό το αρχέγονο, ρευστό χάος γεννήθηκαν τελικά τα δομικά στοιχεία που αποτελούν τα πάντα γύρω μας σήμερα: από τα μακρινά άστρα μέχρι τον υπολογιστή σας και το ίδιο μας το σώμα.
Ένα ταξίδι στο χρόνο μέσα από την «καρδιά» της ύλης
Για δεκαετίες, το πώς ακριβώς ψύχθηκε αυτή η κοσμική «σούπα» και μεταμορφώθηκε σε στέρεη ύλη παρέμενε ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της κοσμολογίας. Τώρα, όμως, μια ομάδα φυσικών κατάφερε να αναπαράγει αυτές τις πρώτες στιγμές της Δημιουργίας σε εργαστηριακές συνθήκες, φέρνοντας στο φως μια αναπάντεχη ανατροπή.
Ένα πείραμα σε επιταχυντή σωματιδίων μόλις αποκάλυψε κάτι αναπάντεχο για τον τρόπο με τον οποίο η «διάπυρη σούπα» σωματιδίων, που γέμιζε το σύμπαν αμέσως μετά το Big Bang, ενώθηκε για να σχηματίσει τα πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν τη βάση της ύλης σήμερα.
Φυσικοί προκάλεσαν συγκρούσεις πυρήνων χρυσού σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός και ανακάλυψαν ένα αναπάντεχο μοτίβο στα σωματίδια που εκτοξεύτηκαν από αυτές τις συγκρούσεις. Εάν επιβεβαιωθεί, το συγκεκριμένο μοτίβο θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η καυτή «σούπα» από κουάρκ και γκλουόνια, που γέμιζε το σύμπαν στα πρώτα μικροδευτερόλεπτα μετά το Big Bang, ψύχθηκε και συμπυκνώθηκε για να σχηματίσει τα πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν τη συνηθισμένη ύλη σήμερα.
Σε κάθε σύγκρουση, τα σωματίδια εκτινάσσονται προς τα πλάγια· η ένταση με την οποία εκτοξεύονται, κατά μέσο όρο, παρουσιάζει μικρές διακυμάνσεις από τη μία σύγκρουση στην άλλη. Οι φυσικοί περίμεναν ότι το μέγεθος αυτών των διακυμάνσεων θα άλλαζε ομαλά καθώς προσάρμοζαν την ενέργεια της σύγκρουσης.
(Πηγή εικόνας : Brookhaven National Laboratory)
Αντίθετα, οι διακυμάνσεις παρουσίασαν μια «βουτιά», συρρικνώθηκαν και στη συνέχεια αυξήθηκαν ξανά. Αυτή η κάμψη θα μπορούσε να είναι το σημάδι ενός πολυπόθητου «κρίσιμου σημείου» -ενός ειδικού συνόλου συνθηκών στις οποίες η πυρηνική ύλη αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο μετασχηματίζεται από τη μία μορφή στην άλλη.
Το σήμα, το οποίο εντοπίστηκε από το πείραμα STAR στον Σχετικιστικό Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων (RHIC) του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven στη Νέα Υόρκη, είναι αρκετά ισχυρό ώστε να θεωρείται εξαιρετικά απίθανο να αποτελεί μια στατιστική σύμπτωση. Ωστόσο, οι ερευνητές προειδοποίησαν ότι αυτή η «βουτιά» αποτελεί μια δελεαστική ένδειξη και όχι οριστική απόδειξη της πολυπόθητης μετάβασης. Οι επιστήμονες δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στις 22 Σεπτεμβρίου στο περιοδικό Physical Review Letters.
Ο “κώδικας κανόνων” της ακραίας ύλης
Τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ, τα οποία συγκρατούνται μεταξύ τους μέσω της «ισχυρής δύναμης» που μεταφέρεται από σωματίδια που ονομάζονται γκλουόνια. Όταν θερμανθούν ή συμπιεστούν αρκετά, τα πρωτόνια και τα νετρόνια λιώνουν σε μια καυτή «σούπα» ελεύθερων κουάρκ και γκλουονίων, γνωστή ως πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων.
Θεωρείται ότι αυτή η αρχέγονη σούπα σωματιδίων κατέκλυζε το σύμπαν κατά τα πρώτα χιλιοστά του δευτερολέπτου μετά το Big Bang. Οι φυσικοί θέλουν να προσδιορίσουν με ακρίβεια πώς συνέβη αυτή η «ρευστοποίηση», μετρώντας τη λεγόμενη καταστατική εξίσωση της πυρηνικής ύλης.
«Για το νερό, αυτή η εξίσωση σου δείχνει πώς συνδέονται η πίεση, η θερμοκρασία και η πυκνότητα, και επομένως πότε παγώνει, βράζει ή διαστέλλεται», δήλωσε στο Live Science ένας από τους συγγραφείς της μελέτης Rutik Manikandhan, μεταδιδακτορικός ερευνητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο (The Ohio State University). Για την πυρηνική ύλη, «είναι ο βασικός “κώδικας κανόνων” για την ύλη υπό τις πιο ακραίες συνθήκες στη φύση, όπως οι πυρήνες των αστέρων νετρονίων», πρόσθεσε ο Manikandhan.
Το «κρίσιμο σημείο» αποτελεί ορόσημο σε αυτόν τον κώδικα κανόνων. «Για το νερό, είναι το σημείο όπου το όριο ανάμεσα στο υγρό και τον ατμό εξαφανίζεται», δήλωσε ο Manikandhan, και οι θεωρητικοί φυσικοί υποψιάζονται εδώ και καιρό ότι η πυρηνική ύλη έχει ένα αντίστοιχο σημείο.
Σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες, η ύλη λιώνει ομαλά και σταδιακά μετατρεπόμενη σε πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων, αλλά σε υψηλότερες πυκνότητες, η αλλαγή αυτή μπορεί να γίνει απότομη. Το κρίσιμο σημείο θα σηματοδοτούσε το ακριβές σημείο όπου το ένα είδος μετάβασης μετατρέπεται στο άλλο. Ορισμένοι πρόσφατοι υπολογισμοί τοποθετούν αυτό το σημείο εντός των ορίων που μπορούν να προσεγγίσουν οι συγκρούσεις χαμηλότερης ενέργειας του επιταχυντή RHIC.
«Ωστόσο, όλα αυτά αποτελούν ακόμα υποθέσεις και δεν υπάρχει τίποτα χειροπιαστό μέχρι στιγμής, είτε από την πλευρά των πειραματικών είτε από την πλευρά των θεωρητικών επιστημόνων», πρόσθεσε ο Manikandhan. Η εργασία αυτή είναι επίσης σημαντική για την κοσμολογία.
«Επειδή η ύλη που δημιουργούμε σε αυτές τις συγκρούσεις μοιάζει με την ύλη που γέμιζε το σύμπαν λίγα μικροδευτερόλεπτα μετά το Big Bang, η χαρτογράφηση της συμπεριφοράς της μας βοηθά να κατανοήσουμε πώς το σύμπαν εξελίχθηκε από μια καυτή σούπα κουάρκ και γκλουονίων στα πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν τα πάντα γύρω μας σήμερα», δήλωσε ο Manikandhan.
Μια αναπάντεχη “βουτιά” εκεί που όλοι περίμεναν ομαλότητα
Για να εξερευνήσουν αυτή την περιοχή, οι ερευνητές έθεσαν σε λειτουργία τον επιταχυντή RHIC σε ένα εύρος διαφορετικών ενεργειών σύγκρουσης. Όσο χαμηλότερη ήταν η ενέργεια, τόσο πιο έντονα συμπιεζόταν η συγκρουόμενη ύλη. Στις δοκιμές με τη χαμηλότερη ενέργεια, το πείραμα STAR χρησιμοποίησε μια διάταξη «σταθερού στόχου», στην οποία μια δέσμη πυρήνων χρυσού προσκρούει πάνω σε «ένα λεπτό φύλλο χρυσού που είναι τοποθετημένο μέσα στον ανιχνευτή», αντί να συγκρούεται με μια δεύτερη, αντίθετα ερχόμενη δέσμη, όπως εξήγησε ο Manikandhan.
Αυτή η μέθοδος παράγει την πιο πυκνή ύλη που μπορεί να δημιουργήσει ο RHIC. Οι ενέργειες σύγκρουσης μετρώνται σε ηλεκτρονιοβόλτ (η ενέργεια που αποκτά ένα ηλεκτρόνιο όταν επιταχύνεται μέσω τάσης 1 βολτ). Πρόκειται για μια απειροελάχιστη ποσότητα, γι’ αυτό και οι φυσικοί σωματιδίων εργάζονται συνήθως με δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ, ή γιγα-ηλεκτρονιοβόλτ (GeV). Ένα GeV αντιστοιχεί χονδρικά στην ενέργεια που είναι εγκλωβισμένη στη μάζα ενός μόνο πρωτονίου, σύμφωνα με την περίφημη εξίσωση του Αϊνστάιν E = mc².
Η ομάδα ανέλυσε περίπου 1 δισεκατομμύριο συγκρούσεις σε ενέργειες μεταξύ 3 και 7.7 GeV ανά ζεύγος συγκρουόμενων πρωτονίων ή νετρονίων. Αυτό είναι το κατώτατο όριο του εύρους του RHIC, το οποίο μπορεί να φτάσει έως και τα 200 GeV. Σε κάθε σύγκρουση, η ομάδα μέτρησε την ένταση με την οποία τα φορτισμένα σωματίδια εκτινάχθηκαν πλαγίως έξω από την «πύρινη σφαίρα» -μια ποσότητα γνωστή ως εγκάρσια ορμή (transverse momentum). Στη συνέχεια, οι ερευνητές αναζήτησαν συσχετίσεις μεταξύ των σωματιδίων.
Μια συσχέτιση μετρά αν δύο πράγματα τείνουν να αλλάζουν μαζί. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, η ομάδα εξέτασε αν τα ζευγάρια σωματιδίων από την ίδια σύγκρουση έτειναν είτε να εκτινάσσονται και τα δύο με μεγαλύτερη ένταση από τον μέσο όρο, είτε και τα δύο πιο ήπια. Αυτό αποκαλύπτει στοιχεία για την πύρινη σφαίρα ως σύνολο: Αν μια πύρινη σφαίρα είναι ελαφρώς πιο θερμή ή αν διαστέλλεται πιο δυναμικά, όλα τα σωματίδιά της δέχονται μαζί μια επιπλέον ώθηση προς τα πλάγια.
«Αυτές οι συσχετίσεις αντανακλούν το πόσο έντονα διακυμαίνονται η θερμοκρασία και η ροή της πύρινης σφαίρας», δήλωσε ο Manikandhan. Κοντά σε ένα κρίσιμο σημείο, η θερμοχωρητικότητα της ύλης – δηλαδή η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία της- αναμένεται να εκτοξευθεί κατακόρυφα. Αυτό καθιστά τη θερμοκρασία της πύρινης σφαίρας πιο δύσκολο να μεταβληθεί, επομένως οι συσχετίσεις θα πρέπει να εξασθενήσουν.
«Εάν η ύλη προσεγγίζει ένα κρίσιμο σημείο ή μια αλλαγή φάσης, θα περιμέναμε να δούμε αυτές τις συσχετίσεις να αλλάζουν με έναν ασυνήθιστο, μη ομαλό τρόπο καθώς μεταβάλλουμε την ενέργεια σύγκρουσης», δήλωσε ο Manikandhan. Αυτό ακριβώς είδε η ομάδα στις πιο μετωπικές συγκρούσεις. «Αντί να αλλάζουν ομαλά σε συνάρτηση με την ενέργεια, οι συσχετίσεις παρουσιάζουν μια “βουτιά”», ανέφερε ο Manikandhan.
Οι ερευνητές συνέκριναν τα δεδομένα με μια ομαλή τάση που βασιζόταν σε παλαιότερες μετρήσεις του STAR σε υψηλότερες ενέργειες. Η συγκεκριμένη κάμψη αποκλίνει από αυτή την τάση με στατιστική σημαντικότητα 5 σίγμα (5 sigma) –το όριο που απαιτούν συνήθως οι φυσικοί προτού θεωρήσουν ένα σήμα ως πραγματικό γεγονός. Αυτό σημαίνει ότι αν η πραγματική τάση ήταν ομαλή, η τυχαία διασπορά στα δεδομένα θα παρήγαγε μια τόσο έντονη “βουτιά” μόλις μία φορά σε περίπου 3,5 εκατομμύρια δοκιμές.
«Μια ομαλή τάση είναι αυτό που θα περίμενε κανείς από την κοινή πυρηνική ύλη, επομένως μια “βουτιά” υποδηλώνει ότι κάτι πολύ πιο ενδιαφέρον συμβαίνει υπό αυτές τις συνθήκες», δήλωσε ο Manikandhan.
Αντίθετα, μια ευρέως χρησιμοποιούμενη ηλεκτρονική προσομοίωση των συγκρούσεων, η οποία δεν περιλαμβάνει κανένα κρίσιμο σημείο, αναπαρήγαγε τη γενική τάση αλλά όχι τη συγκεκριμένη «βουτιά». Οι μη μετωπικές (πλάγιες) συγκρούσεις έδειξαν μόνο μια αμυδρή ένδειξη του ίδιου χαρακτηριστικού, η οποία είναι πολύ ασθενής για να θεωρηθεί από μόνη της ως απόδειξη.
Η επιστήμη έχει την “τελευταία λέξη”: Το μυστήριο παραμένει ανοιχτό
«Το αποτέλεσμα είναι ενδεικτικό, όχι όμως απόδειξη για την ύπαρξη κρίσιμου σημείου», δήλωσε ο Manikandhan. Φαινόμενα που δεν σχετίζονται με το κρίσιμο σημείο μπορούν επίσης να διαμορφώσουν αυτές τις διακυμάνσεις, και το πόσο μεγάλο μέρος αυτής της «βουτιάς» μπορούν να εξηγήσουν παραμένει ακόμη ασαφές, επεσήμαναν οι ερευνητές.
Παρόλα αυτά, η «βουτιά» αυτή «υποδεικνύει πράγματι ένα σύνολο συνθηκών όπου η συμπεριφορά της πυρηνικής ύλης αλλάζει, και δίνει στους θεωρητικούς μια νέα, ακριβή μέτρηση για να ελέγξουν τους υπολογισμούς τους», δήλωσε ο Manikandhan. Στη συνέχεια, η ομάδα σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει τις συσχετίσεις για να «εξάγει την ειδική θερμότητα της καυτής ύλης», ανέφερε ο Manikandhan.
Έπειτα, θα τη συγκρίνουν με προσομοιώσεις σε υπερυπολογιστές που υπολογίζουν τη συμπεριφορά των κουάρκ και των γκλουονίων από θεμελιώδεις αρχές. Οι ερευνητές σχεδιάζουν επίσης να ελέγξουν αυτή τη «βουτιά» απέναντι σε περισσότερα θεωρητικά μοντέλα και να τη συνδυάσουν με άλλες μετρήσεις, όπως οι διακυμάνσεις στον αριθμό των πρωτονίων που παράγονται στις συγκρούσεις.
«Μόνο όταν διαφορετικές μετρήσεις συμφωνούν μεταξύ τους θα μπορούμε να πούμε με βεβαιότητα εάν όντως υπάρχει ένα κρίσιμο σημείο», δήλωσε ο Manikandhan.
