Μια άγνωστη μέχρι πρότινος ώθηση επιτάχυνσης φαίνεται πως αλλάζει τη δομή της πιο καυτής μορφής ύλης που έχει καταγραφεί ποτέ στο σύμπαν.
Η σύγκρουση ατομικών πυρήνων σε ταχύτητες που αγγίζουν εκείνη του φωτός γεννά το πιο καυτό ρευστό που υπάρχει στο σύμπαν. Μέχρι σήμερα όμως, οι επιστήμονες φαίνεται πως αγνοούσαν μια καθοριστική δύναμή του.
Νέες ψηφιακές προσομοιώσεις δείχνουν ότι στα όρια του πλασμάτων κουάρκ-γλουονίων αναπτύσσεται μια ακραία επιτάχυνση, η οποία τροφοδοτεί την εκρηκτική του εκτόνωση.
Η δύναμη αυτή δεν μετακινεί απλώς το υλικό, αλλά επηρεάζει άμεσα τη θερμική του συμπεριφορά, το σπιν των σωματιδίων, ανατρέποντας ακόμα και τα όσα γνωρίζαμε για τον τρόπο που η ύλη αλλάζει θεμελιώδεις καταστάσεις.
Η σύγκρουση ατομικών πυρήνων σε ταχύτητες που αγγίζουν εκείνη του φωτός δημιουργεί στιγμιαία πλάσμα κουάρκ-γλουονίων. Πρόκειται για μια ακραία, υπέρθερμη κατάσταση της ύλης, όπου τα δομικά της συστατικά απελευθερώνονται και κινούνται χωρίς περιορισμούς.
Αυτό το ιδιότυπο υλικό παρουσιάζει τη συμπεριφορά ενός ιδανικού ρευστού, προσφέροντας στην επιστημονική κοινότητα ένα πολύτιμο «παράθυρο» στο παρελθόν για την αναπαράσταση των πρώτων στιγμών μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Μέχρι σήμερα, το επιστημονικό ενδιαφέρον είχε στραφεί κυρίως στη στροβιλώδη κίνηση και στα πανίσχυρα ηλεκτρομαγνητικά πεδία του πλάσματος. Η παράμετρος της επιτάχυνσης είχε μείνει στο περιθώριο, παρά το γεγονός ότι οδηγεί την αστραπιαία διαστολή της πύρινης σφαίρας.
Για την επιστήμη της υδροδυναμικής, η επιτάχυνση είναι εξίσου θεμελιώδης με τον στροβιλισμό, με τον ίδιο ακριβώς τρόπο που το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο αποτελούν τις δύο ισότιμες όψεις του ηλεκτρομαγνητισμού.
Το ενεργειακό αποτύπωμα: Πώς μεταβάλλεται η επιτάχυνση στις συγκρούσεις πυρήνων
Για να ρίξουν φως σε αυτό το φαινόμενο, οι φυσικοί Γιου-Γκανγκ Μα και Σου-Γκουάνγκ Χουάνγκ από το Πανεπιστήμιο Φουντάν ανέλαβαν να χαρτογραφήσουν τον μηχανισμό γέννησης και αυξομείωσης της επιτάχυνσης στο πλάσμα κουάρκ-γλουονίων.
Η επιστημονική ομάδα συνδύασε δύο δημοφιλή ψηφιακά μοντέλα προσομοίωσης (AMPT και UrQMD) με μια εξειδικευμένη μαθηματική μέθοδο γκαουσιανής εξομάλυνσης.
Η τεχνική αυτή επέτρεψε τη μετατροπή των μεμονωμένων σωματιδιακών δεδομένων σε συνεχή ροή ενέργειας, ορμής και ταχύτητας, δίνοντας στους ειδικούς τη δυνατότητα να μελετήσουν το πλάσμα σαν ένα δυναμικό, μεταβαλλόμενο υγρό.
Με αυτό το εργαλείο, οι επιστήμονες κατάφεραν να καταγράψουν την πορεία της επιτάχυνσης σε ένα τεράστιο ενεργειακό φάσμα συγκρούσεων, από τα 3,5 GeV έως τα 2,76 TeV.
«Η επιτάχυνση δεν αποτελεί ένα απλό, δευτερεύον στοιχείο της κίνησης. Αντίθετα, φαίνεται πως λειτουργεί ως ένας καθοριστικός θερμοδυναμικός ρυθμιστής για την ύλη της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής (QCD)», υπογραμμίζει ο καθηγητής Χουάνγκ.
Στο «χείλος» της έκρηξης: Εκεί όπου η επιτάχυνση αγγίζει ακραία όρια
Τα ψηφιακά μοντέλα αποκάλυψαν ότι η μέγιστη ιδιοεπιτάχυνση αγγίζει εκατοντάδες MeV, ανεξάρτητα από το αν η ενέργεια της σύγκρουσης είναι χαμηλή ή υψηλή. Η πιο έντονη εγκάρσια ώθηση κατευθύνεται σταθερά προς τα έξω, εκδηλώνοντας τη μεγαλύτερη ισχύ της στα εξωτερικά όρια της πύρινης σφαίρας.
Η περιφέρεια αυτή μεταβάλλεται σε ένα «καυτό σημείο» επιτάχυνσης, καθώς εκεί η πίεση μειώνεται απότομα, ενώ η πυκνότητα της ενθαλπίας διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα. Με βάση τη σχετικιστική εξίσωση Euler, οι δύο αυτοί παράγοντες λειτουργούν συνδυαστικά, εκτοξεύοντας την επιτάχυνση στα ύψη.
Η συμπεριφορά του πλάσματος παρουσιάζει διακυμάνσεις ανάλογα με τα επίπεδα ενέργειας της σύγκρουσης. Σε χαμηλότερες ενέργειες, το φαινόμενο της πυρηνικής αναχαίτισης (nuclear stopping) φρενάρει αρχικά το υλικό, προκαλώντας επιβράδυνση που αγγίζει τα 500 MeV.
Αντίθετα, σε υπερσχετικιστικές ενέργειες, οι πυρήνες προσπερνούν ο ένας τον άλλον με τέτοια ταχύτητα, που ωθούν το νεοσύστατο πλάσμα σε σύντομους αλλά εξαιρετικά βίαιους παλμούς επιτάχυνσης.
Καθώς αυτή η πανίσχυρη ώθηση εκδηλώνεται κυρίως στην περιφέρεια, το τελικό αποτέλεσμα επηρεάζεται ελάχιστα από το αν η σύγκρουση των πυρήνων είναι μετωπική ή πλαγιομετωπική.
Έλεγχος σε ακραίες συνθήκες: Ο νέος «διακόπτης» για τη ρύθμιση της υπέρθερμης ύλης
Ο ρόλος της επιτάχυνσης φαίνεται πως ξεπερνά τα όρια της απλής μετακίνησης του πλάσματος. Με βάση το θεωρητικό φαινόμενο Unruh, ένας παρατηρητής που επιταχύνει βλέπει το απόλυτο κενό ως ένα περιβάλλον γεμάτο θερμότητα.
Αυτό σημαίνει ότι μια τέτοια ακραία επιτάχυνση εκατοντάδων MeV μπορεί να λειτουργήσει ακριβώς όπως οι ασύλληπτες θερμοκρασίες που καταγράφονται κατά τη φάση μετάβασης της ύλης QCD.
Αυτό το ενδεχόμενο ανοίγει τον δρόμο για την προσθήκη ενός ολοκαίνουργιου «άξονα επιτάχυνσης» στο διάγραμμα φάσεων της ύλης QCD, επηρεάζοντας άμεσα τόσο τη χειρική μετάβαση όσο και τη διαδικασία εγκλεισμού των κουάρκ. Παράλληλα, η ακραία αυτή ώθηση μπορεί να πυροδοτήσει άγνωστα μέχρι σήμερα φαινόμενα μεταφοράς και να καθορίσει τον προσανατολισμό του σπιν των σωματιδίων.
Οι συγκεκριμένες επιδράσεις έρχονται να λειτουργήσουν συμπληρωματικά με εκείνες του στροβιλισμού, προσφέροντας στους επιστήμονες ένα νέο θεωρητικό όπλο για να λύσουν το μυστήριο γύρω από την παράξενη συμπεριφορά του σπιν, η οποία καταγράφεται στα πειράματα των επιταχυντών RHIC και LHC.
Κυνηγώντας τα «αόρατα» σήματα: Πώς οι επιταχυντές θα ανιχνεύσουν την κρυφή δύναμη του σύμπαντος
Στα επόμενα βήματά τους, οι επιστήμονες σκοπεύουν να ενσωματώσουν ακόμα πιο ρεαλιστικά μοντέλα υδροδυναμικής εξέλιξης στους υπολογισμούς τους.
Παράλληλα, αναζητούν συγκεκριμένα πειραματικά αποτυπώματα που θα επιβεβαιώσουν την επίδραση της επιτάχυνσης στο εργαστήριο, εστιάζοντας κυρίως στα μοτίβα πόλωσης του σπιν των υπερονίων.
Γεφυρώνοντας τα μη αδρανειακά κβαντικά φαινόμενα με τη χειροπιαστή, μετρήσιμη συμπεριφορά των σωματιδίων, η έρευνα αυτή χαράσσει μια ολοκαίνουργια επιστημονική διαδρομή για την κατανόηση των μυστικών της ύλης κάτω από την επίδραση της ισχυρής πυρηνικής δύναμης.
«Όπως η θερμοκρασία και η πυκνότητα αποτελούν τις σταθερές που ορίζουν το διάγραμμα φάσεων της ύλης, η επιτάχυνση έρχεται να προσθέσει μια εντελώς νέα διάσταση σε αυτό το μοντέλο», επισημαίνει ο καθηγητής Χουάνγκ. «Με τη χαρτογράφηση αυτής της άγνωστης μέχρι σήμερα πτυχής στο πλάσμα κουάρκ-γλουονίων, φιλοδοξούμε να μετατρέψουμε τα περίπλοκα μη αδρανειακά κβαντικά φαινόμενα σε απτά, μετρήσιμα αποτυπώματα για την εργαστηριακή έρευνα».
