Cum s-a transformat „supa” de quarcuri și gluoni în protoni și neutroni?

Studiul schimbărilor fazelor nucleare este similar cu cel al schimbărilor apei în diferite condiții de temperatură și presiune.
Coliziunile din cadrul RHIC duc la „topirea” protonilor și a neutronilor, pentru a crea plasma quarc-gluon.
Cercetătorii explorează efectele acestor coliziuni, la energii diferite, căutând să observe indicii ale „punctului critic”.

Noile rezultate obținute de experimentul STAR de la acceleratorul RHIC în Statele Unite ne ajută să înțelegem mai bine cum plasma de quarcuri și gluoni s-a transformat în particulele pe care le vedem astăzi în univers: protoni și neutroni; o tranziție de fază. Unul dintre semnalele acestei tranziții este reprezentat de caracteristicile nucleelor ușoare care iau naștere în coliziunile dintre nucleele de aur la RHIC.

Modelul standard, protonii și neutronii

Modelul standard al fizicii particulelor elementare ne spune din ce este alcătuită materia și cum interacționează între ele particulele elementare. Din acest model fac parte quarcurile, care formează protonii și neutronii nucleelor atomice. Există șase tipuri de quarcuri, dintre care (cel puțin din câte știm în prezent) doar două tipuri formează materia stabilă: quarcurile up și down. Astfel, protonii sunt alcătuiți din două quarcuri up și unul down, iar neutronii din două quarcuri down și unul up.

Quarcurile nu se găsesc liberi, fiind „prizonieri” în particule compuse, precum protonii și neutroni, interacționând între ei prin intermediul forței nucleare tari. Particulele care mediază interacțiunea nucleară tare sunt gluonii, particule fără masă, ca fotonii, dar care au caracteristici foarte diferite de fotoni. 

Aspect interesant: quarcurile nu pot fi izolate dintr-un proton sau neutron. Dacă s-ar încerca extragerea unui quarc dintr-un barion (particulă formată din grupări de trei quarcuri, precum protonul sau neutronul), acesta s-ar transforma într-o pereche de quarc-antiquarc.

O întrebare interesantă este următoarea: au existat vreodată quarcuri libere în univers?

Plasma de quarcuri și gluoni

Universul, în cadrul teoriei Big Bang, a luat naștere acum circa 13,8 miliarde de ani. La început era un amestec de particule elementare la temperaturi extreme. Acest amestec de particule, un fel de supă extrem de fierbinte, se numește plasma de quarcuri și gluoni. În această fază quarcurile și gluonii erau liberi, adică nu erau „prizonieri” în protoni și neutroni (simplificând).

Pe măsură ce temperatura scădea, ca efect al expansiunii universului, quarcurile și gluonii au format protoni și neutroni, nemaifiind liberi. Transformarea din plasma de quarcuri și gluoni în particule precum protonii și neutronii reprezintă o tranziție de fază, ale cărei caracteristici ne ajută să înțelegem mai bine istoria universului.


Cum putem studia plasma de quarcuri și gluoni?

Pentru a studia plasma de quarcuri și gluoni și transformarea acesteia în particule, este necesar să recreăm condițiile din univers din perioada imediat după Big Bang, adică temperaturile extrem de înalte de atunci. Acest lucru este posibil la acceleratoarele de particule, în care fascicule de ioni (precum cei de aur) se ciocnesc la energii foarte mari. Se generează local plasma de quarcuri și gluoni care poate fi studiată cu ajutorul detectoarelor de particule. Că să înțelegem însă mai bine caracteristicile acesteia este nevoie să avem semnale care indică tranziția de fază.

Experimentul STAR la RHIC și nucleele de tritiu

Experimentul STAR de la Acceleratorul RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) de la Brookhaven National Laboratory, SUA, studiază plasma de quarcuri și gluoni de mulți ani.

Într-un articol recent publicat în Physical Review Letters cercetătorii s-au concentrat asupra studiului tranziției de fază de la plasma de quarcuri și gluoni în nucleoni, semnal reprezentat de producerea de nuclee ușoare. În interiorul plasmei iau naștere protoni și neutroni care pot să formeze la rândul lor nuclee. Cu cât protonii și neutronii care se formează sunt mai aproape, cu atât formarea de nuclee este mai mare. La punctul critic există fluctuații importante în formarea de nuclee.

Dovada existenței punctului critic, un punct în care există o schimbare în modul în care materia nucleară se transformă dintr-o fază în alta, este cheia pentru a răspunde la întrebări fundamentale cu privire la evoluția universului.

Ciocnirea ionilor grei la diverse energii permite cercetătorilor să studieze cum aceste coliziuni duc la formarea supei primordiale, precum și tranziția înapoi către nuclee de materie obișnuită.

Cercetătorii vor să studieze tocmai acest punct critic. Au măsurat deci producerea de nuclee ușoare, precum tritiul (un nucleu format din doi neutroni și un proton). Au obținut semnale care indică o fluctuație a producerii tritiului la energii cuprinse între 19,6 GeV și 27 GeV (GeV este o unitate de energie folosită în fizica particulelor elementare; în această unitate masa protonului este de aproape 1 GeV). Să fie acolo punctul critic?

Ce urmează

Precizia măsurătorilor efectuate de către STAR în  studiul plasmei de quarcuri și gluoni nu este încă suficient de bună pentru a fi siguri de rezultat. Tocmai din acest motiv în cadrul proiectului de cercetare se continuă achiziția de date la energii diverse, în cadrul celei de-a două faze, BES II (Beam Energy Scan II), cu ciocniri de nuclee de aur până la energii relativ joase (3 GeV).

Analiza noilor date, se speră, va permite găsirea acestui punct critic care să ne ajute să înțelegem cum în primele clipe ale universului, imediat după Big Bang, în urma unei tranziții de faze, au luat naștere protonii și neutronii care formează materia actuală a universului.

Citiți și:
1. Formarea și evoluția structurii universului. (1) Galaxiile
2. Formarea și evoluția structurii universului. (2) Roiurile de galaxii, vidurile și filamentele galactice
3. Formarea și evoluția structurii universului. (3) Istoria evoluției universului, pe scurt

Mai mult pe acest subiect: Subtle signs of fluctuations in critical point search