A korai univerzum laboratóriumi újrajátszása
A kísérletek során nehéz atommagokat ütköztetnek az LHC-ban, közel fénysebességgel. Ezek az ütközések olyan magas hőmérsékletet és sűrűséget hoznak létre, hogy az atomok hagyományos szerkezete felbomlik, az alapvető részecskék, a kvarkok és gluonok egy olvadt állapotot, úgynevezett kvark-gluon plazmát alkotnak. Ebben az extrém környezetben a kvarkok és gluonok – amelyek az erős kölcsönhatás alapjai – úgy áramlanak együtt, mint egy ultraforró folyadék, és nem egyszerű részecskegázként viselkednek.
Ez a plazmacsepp rendkívül kicsi, nagyjából 10^-14 méter átmérőjű, ami tízezerszer kisebb egy atoménál, és szinte azonnal eltűnik. Mégis, ebben a villanásban a részecskék mozgása egyedülálló információt ad arról, milyen volt az anyag a világ első pillanataiban.
A kvark nyoma és a Z-bozon szerepe
Nem volt egyértelmű, hogy ez az anyag valóban folyadékként viselkedik-e, ezért az LHC kutatói azt keresték, hogy egy nagyon nagy energiájú kvark ténylegesen hagy-e maga után észlelhető nyomot a plazmában. Az elképzelés szerint ez a jelenség hasonló ahhoz, amikor egy hajó hullámokat ver a vízen, közben maga mögött egy kis „völgyet” is hagy, mivel a víz kitér az útjából.
A kísérletek során, hogy igazán tiszta képet kaphassanak, az úgynevezett Z-bozonnal dolgoztak, amely a gyenge kölcsönhatás részecskéje. A Z-bozon szinte egyáltalán nem lép kölcsönhatásba a kvark-gluon plazmával, ezért amikor egy ütközés során a kvark és a Z-bozon egyszerre keletkezik, de ellentétes irányba száguldanak el, a Z-bozon pontosan megmutatja, merre ment a kvark. Ez óriási előnyt jelent, mivel így kontrollált körülmények között lehet vizsgálni, hogy a kvark tényleg hagy-e észlelhető nyomot maga után.
Század százalékos jel: hullámvölgy a plazmában
A CMS kutatócsoportjának mérései kimutatták, hogy a kvark mögött valóban érzékelhető egy parányi, kevesebb mint 1%-os csökkenés a részecskék számában. Bár ez alig mérhető, pontosan azt a hatást jelenti, amit elméletből vártak: a kvark mozgása energiát adott le a plazmának, maga után egy enyhén ritkább régiót húzva. Mindezt sikerült először meggyőzően kimutatni Z-bozonokat is tartalmazó események alapján.
A kutatók szerint a „hullámvölgy” formája és mélysége izgalmas információkkal szolgál arról, mennyire viszkózus ez az anyag. Ha gyorsabban feltöltődik a „gödör”, az azt jelenti, hogy a plazma folyékonyabb – mintha vízről beszélnénk. Ha lassabban, inkább mézhez hasonlít. Így sikerült úgy vizsgálni a plazmát, hogy a kvark csak jelzőként maradt a háttérben.
Kitekintés a világegyetem hajnalába
Ez a felfedezés a kozmológiában is új távlatokat nyit. A most megfigyelt kvark-gluon plazma nagyon hasonlít ahhoz az ősanyagra, amely a világegyetem első pillanataiban töltötte ki a teret, még az atomok, protonok és neutronok kialakulása előtt. Ezt a korszakot közvetlenül teleszkópokkal nem lehet észlelni, mert az univerzum akkor még átlátszatlan volt. A nehézion-ütközések így pici, de közvetlen bepillantást engednek abba, mit is jelentett az univerzum hajnalán a valódi anyag.
Az eredmények csak a kezdetet jelentik, a kutatók azt remélik, hogy több ütközés és pontosabb adatok segítségével még jobban felderíthető lesz, hogyan működött ez a furcsán „leveses” szuperanyag a világegyetem legelső pillanataiban.
