Vědci odhalují tajemství prvních okamžiků vesmíru

Jejich úsilí se zaměřilo na zmapování „prapolévky“, která naplnila vesmír v první miliontině sekundy po jeho stvoření.

Fyzici z Eötvös Loránd University studovali složky atomového jádra pomocí tří nejpokročilejších urychlovačů částic na světě. Jejich výzkum si klade za cíl prozkoumat „prapolévku“, která existovala ve vesmíru během prvních mikrosekund po jeho vzniku. Je zajímavé, že jejich zjištění naznačují, že pozorovaný pohyb částic připomíná hledání kořisti mořských predátorů, vzorce klimatických změn a výkyvy akciového trhu.

Bezprostředně po nehodě velký výbuchTeploty byly tak extrémní, že nemohla existovat ani atomová jádra, ani nukleony, jejich stavební kameny. V tomto prvním případě byl tedy vesmír naplněn „prapůvodní polévkou“ kvarků a gluonů.

Jak se vesmír ochlazoval, toto médium prošlo procesem „zmrazování“, což vedlo ke vzniku částic, které známe dnes, jako jsou protony a neutrony. Tento jev je replikován v mnohem menším měřítku v experimentech na urychlovači částic, kde srážky mezi dvěma jádry vytvářejí drobné kapičky kvarkové hmoty. Tyto kapičky se nakonec přemění v běžnou hmotu zmrazením, což je transformace známá výzkumníkům provádějícím tyto experimenty.

Rozdíly v kvarkové hmotě

Vlastnosti kvarkové hmoty se však liší v důsledku rozdílů v tlaku a teplotě, které jsou výsledkem srážkové energie v urychlovačích částic. Tento rozdíl vyžaduje měření pro „skenování“ hmoty na urychlovačích částic různých energií, jako je relativistický urychlovač těžkých iontů (RHIC) ve Spojených státech nebo superprotonový urychlovač (SPS) a velký hadronový urychlovač (LHC) ve Švýcarsku.

„Tento aspekt je tak důležitý, že po celém světě vznikají nové urychlovače, například v Německu nebo Japonsku, speciálně pro takové experimenty.“ Asi nejdůležitější otázkou je, jak dochází k přechodu mezi fázemi: kritický bod se může objevit na fázová mapa.“ vysvětluje Mati Chanad, profesor fyziky na katedře atomové fyziky na Eötvös Lorand University (ELTE).

Montáž rekonstruovaných stop ze skutečných kolizních událostí a fotografie zúčastněných detektorů v Brookhaven National Laboratory a v CERNu. Zdroj: Montáž provedl Máté Csanád / Univerzita Eötvöse Loránda Původní snímky montáže: STAR a PHENIX: Brookhaven National Laboratory a CMS a NA61: CERN

Dlouhodobým cílem výzkumu je prohloubit naše chápání silné interakce, která řídí interakce v kvarkové hmotě a v atomových jádrech. Naši současnou úroveň znalostí v této oblasti lze přirovnat k tomu, jak lidstvo chápe elektřinu v dobách Volty, Maxwella nebo Faradaye. I když měli představu o základních rovnicích, vyžadovalo to spoustu experimentální a teoretické práce, aby vyvinuli technologie, které hluboce proměnily každodenní život, od žárovek po televize, telefony, počítače a internet. Stejně tak naše chápání silné interakce je stále v rané fázi, a proto je zásadní ji prozkoumat a zmapovat.

Inovace ve femtoskopii

Výzkumníci z ELTE se podíleli na experimentech na každém z výše uvedených urychlovačů a jejich práce za posledních několik let vedla ke komplexnímu obrazu geometrie kvarkové hmoty. Dosáhli toho aplikací femtoskopických technik. Tato technika využívá korelace, které vznikají z neklasické, kvantově podobné vlnové povaze produkovaných částic, které nakonec odhalují femtometrovou strukturu média, které je zdrojem emise částic.

Vědci z Eötvös University pracují na sběru dat pro experiment STAR v Brookhaven National Laboratory. Kredit: Máté Csanád / Univerzita Eötvöse Loránda

„V předchozích desetiletích se femtokopie prováděla za předpokladu, že kvarková hmota má normální rozložení, tedy Gaussův tvar nalezený na mnoha místech v přírodě,“ vysvětluje Marton Nagy, jeden z vedoucích výzkumníků skupiny.

Maďarskí vědci se však obrátili na Levyho proces, který je také známý napříč různými vědeckými obory, jako na obecnější rámec, který je dobrým popisem hledání kořisti mořskými predátory, burzovními procesy a dokonce i změnou klimatu. Charakteristickým rysem těchto procesů je, že v určitých okamžicích procházejí velmi velkými variacemi (např. když žralok hledá potravu v nové oblasti) a v takových případech může dojít k distribuci vláken namísto normální (gaussovské) distribuce.

Důsledky a role ELTE

Tento výzkum je velmi důležitý z několika důvodů. Za prvé, jedním z nejvíce studovaných rysů zmrazování kvarkové hmoty na hadronovou hmotu je femtoskopický poloměr (nazývaný také poloměr HBT, s odkazem na známý Hanbury-Brown a Twyssův efekt). V astronomii) je odvozen z femtoskopických měření. Toto opatření však závisí na předpokládané geometrii média. Jak shrnuje Daniel Kinsis, postdoktorandský výzkumník ve skupině: „Pokud Gaussův předpoklad není optimální, nejpřesnější výsledky z těchto studií lze získat pouze za předpokladu Lévyho. Hodnota Lévyho exponentu, která charakterizuje Lévyho rozdělení, může Také vrhají světlo na povahu fázového přechodu, a tak jeho variace s energií kolize poskytuje pohled na různé fáze kvarkové hmoty.

Výzkumníci ELTE se aktivně podílejí na čtyřech experimentech: NA61/SHINE na urychlovači SPS, PHENIX a STAR na RHIC a CMS na LHC. Skupinu NA61/SHINE ELTE vede Yoshikazu Nagai a skupinu CMS vede Gabriela Pastor; a skupiny RHIC založené Máté Csanádem, který také koordinuje femtoskopický výzkum na ELTE.

Tyto skupiny významně přispívají k úspěchu experimentů v různých kapacitách, od vývoje činidel až po sběr dat a analýzu. Podílejí se také na mnoha teoretických projektech a výzkumech. „Na našem femtoskopickém výzkumu je unikátní to, že se provádí ve čtyřech experimentech na třech urychlovačích částic, což nám dává široký pohled na geometrii a možné fáze kvarkové hmoty,“ říká Matej Chanad.

Reference: „Nová metoda pro výpočet Bose-Einsteinových korelačních funkcí s interakcí Coulombova konečného stavu“ od Martona Nagye, Alety Borzy, Mateje Csanada a Daniela Kinsis, 8. listopadu 2023, European Physical Journal C.
doi: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y