Οι φυσικοί από το πανεπιστήμιο Eötvös Loránd διερευνούν τα συστατικά του ατομικού πυρήνα χρησιμοποιώντας τους τρεις πιο προηγμένους επιταχυντές σωματιδίων παγκοσμίως. Η έρευνά τους στοχεύει να εξερευνήσει την «αρχέγονη σούπα» που αναφέρεται ότι υπήρχε στο Σύμπαν κατά τα αρχικά μικροδευτερόλεπτα μετά τη δημιουργία του.

Είναι ενδιαφέρον ότι τα ευρήματά τους δείχνουν ότι η κίνηση των παρατηρούμενων σωματιδίων μοιάζει με την αναζήτηση των θηραμάτων των θαλάσσιων θηρευτών και των διακυμάνσεων της χρηματιστηριακής αγοράς.

Αμέσως μετά το Big Bang, οι θερμοκρασίες ήταν τόσο ακραίες που δεν μπορούσαν να υπάρχουν ατομικοί πυρήνες, ούτε τα νουκλεόνια (νετρόνια και πρωτόνια), που είναι τα δομικά τους στοιχεία. Ως εκ τούτου, σε αυτήν την πρώτη περίπτωση, όπως λένε οι επιστήμονες, το σύμπαν γέμισε με μια «αρχέγονη σούπα» από κουάρκς και γκλουόνια.

Καθώς το σύμπαν ψύχθηκε, αυτό το μέσο υποβλήθηκε σε ένα “πάγωμα”, οδηγώντας στο σχηματισμό σωματιδίων που γνωρίζουμε σήμερα, όπως πρωτόνια και νετρόνια. Αυτό το φαινόμενο αναπαράγεται σε πολύ μικρότερη κλίμακα σε πειράματα επιταχυντή σωματιδίων, όπου συγκρούσεις μεταξύ δύο πυρήνων δημιουργούν μικροσκοπικά σταγονίδια quark ουσιών. Αυτά τα σταγονίδια τελικά δημιουργούν τη συνήθη ύλη, μέσω του Freeze-Out, ενός μετασχηματισμού που είναι γνωστός στους ερευνητές που διεξάγουν αυτά τα πειράματα.

Παραλλαγές στην ύλη του Κουάρκ
Ωστόσο, οι ιδιότητες της ύλης κουάρκ ποικίλλουν λόγω των διαφορών στην πίεση και τη θερμοκρασία που προκύπτουν από την ενέργεια σύγκρουσης στους επιταχυντές σωματιδίων. Αυτή η παραλλαγή απαιτεί μετρήσεις για τη «σάρωση» της ύλης σε επιταχυντές σωματιδίων διαφορετικών ενεργειών, τον Σχετικιστικό Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων (RHIC) στις ΗΠΑ ή το Σύγχρονο Σούπερ Πρωτονίου (SPS) και τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στην Ελβετία.

«Αυτή η πτυχή είναι τόσο σημαντική ώστε νέοι επιταχυντές κατασκευάζονται σε όλο τον κόσμο, για παράδειγμα στη Γερμανία ή την Ιαπωνία, ειδικά για τέτοια πειράματα. Ίσως το πιο σημαντικό ερώτημα είναι πώς συμβαίνει η μετάβαση μεταξύ των φάσεων: ένα κρίσιμο σημείο μπορεί να εμφανιστεί στον χάρτη φάσεων», εξηγεί ο Máté Csanád, καθηγητής φυσικής στο Τμήμα Ατομικής Φυσικής του Πανεπιστημίου Eötvös Loránd (ELTE).

Ο μακροπρόθεσμος στόχος της έρευνας είναι να εμβαθύνει την κατανόησή μας για την ισχυρή αλληλεπίδραση που διέπει τις αλληλεπιδράσεις στην ύλη κουάρκ και στους ατομικούς πυρήνες. Η κατανόησή μας για την ισχυρή αλληλεπίδραση είναι ακόμα εμβρυϊκή, καθιστώντας την έρευνα για την εξερεύνηση και τη χαρτογράφηση της ζωτικής σημασίας, όπως αναφέρεται.

Καινοτομίες στη Femtoscopy

Ερευνητές από το ELTE συμμετείχαν σε πειράματα σε καθέναν από αυτούς τους επιταχυντές που αναφέρθηκαν παραπάνω και η δουλειά τους τα τελευταία χρόνια οδήγησε σε μια ολοκληρωμένη εικόνα της γεωμετρίας της ύλης κουάρκ. Το πέτυχαν αυτό μέσω της εφαρμογής των τεχνικών femtoscopy. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιεί τους συσχετισμούς που προκύπτουν από τη μη κλασική, κβαντική κυματική φύση των παραγόμενων σωματιδίων, η οποία στο τέλος αποκαλύπτει τη δομή κλίμακας femtometer του μέσου, της πηγής εκπομπής σωματιδίων.

«Τις προηγούμενες δεκαετίες, η  femtoscopy λειτουργούσε με την υπόθεση ότι η ύλη κουάρκ ακολουθεί μια κανονική κατανομή, δηλαδή το σχήμα Gauss που βρίσκεται σε τόσα πολλά μέρη στη φύση», εξηγεί ο Márton Nagy, ένας από τους επικεφαλής ερευνητές της ομάδας.

Ωστόσο, οι Ούγγροι ερευνητές στράφηκαν στη διαδικασία Lévy, η οποία είναι επίσης γνωστή σε διάφορους επιστημονικούς κλάδους, ως γενικότερο πλαίσιο, και η οποία είναι μια καλή περιγραφή της αναζήτησης θηραμάτων από θαλάσσια αρπακτικά ή των διαδικασιών στο χρηματιστήριο. Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα αυτών των διεργασιών είναι ότι σε ορισμένες στιγμές υφίστανται πολύ μεγάλες αλλαγές (για παράδειγμα, όταν ένας καρχαρίας ψάχνει για τροφή σε μια νέα περιοχή), και σε τέτοιες περιπτώσεις μπορεί να συμβεί κατανομή Lévy και όχι κανονική (Gaussian).

Επιπτώσεις και ο ρόλος του ELTE

Η έρευνα αυτή έχει μεγάλη σημασία για πολλούς λόγους. Κατά κύριο λόγο, ένα από τα πιο μελετημένα χαρακτηριστικά της κατάψυξης της ύλης κουάρκ, ο μετασχηματισμός της σε συμβατική (αδρονική) ύλη, είναι η femtoscopic ακτίνα (επίσης ονομάζεται HBT-radius, σημειώνοντας τη σχέση της με το γνωστό φαινόμενο Hanbury Brown και Twiss. στην αστρονομία), η οποία προέρχεται από φεμφτοσκοπικές μετρήσεις. Ωστόσο, αυτή η κλίμακα εξαρτάται από την υποτιθέμενη γεωμετρία του μέσου. Όπως συνοψίζει ο Dániel Kincses, ένας μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ομάδα, «Εάν η υπόθεση Gauss δεν είναι η βέλτιστη, τότε τα πιο ακριβή αποτελέσματα από αυτές τις μελέτες μπορούν να ληφθούν μόνο με την υπόθεση Lévy. Η τιμή του «εκθέτη Lévy», που χαρακτηρίζει την κατανομή Lévy, μπορεί επίσης να ρίξει φως στη φύση της μετάβασης φάσης. Έτσι, η διακύμανσή του με την ενέργεια σύγκρουσης παρέχει πολύτιμη εικόνα για τις διαφορετικές φάσεις της ύλης κουάρκ».

Αναφορά: «Μια νέα μέθοδος για τον υπολογισμό των συναρτήσεων συσχέτισης Bose–Einstein με την αλληλεπίδραση τελικής κατάστασης Coulomb» από τους Márton Nagy, Aletta Purzsa, Máté Csanád και Dániel Kincses, 8 Νοεμβρίου 2023, The European Physical Journal C .
DOI: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y

(photo: pixabay)