Vedci odhaľujú tajomstvá najranejších okamihov vesmíru

Ich úsilie je zamerané na zmapovanie „starodávnej polievky“, ktorá naplnila vesmír v prvej milióntine sekundy po jeho vzniku.

Fyzici z Eötvös Lorand University skúmajú zložky atómového jadra pomocou troch najpokročilejších urýchľovačov častíc na svete. Ich výskum má za cieľ preskúmať „prapolievku“, ktorá existovala vo vesmíre počas prvých mikrosekúnd po jeho vytvorení. Je zaujímavé, že ich zistenia naznačujú, že pozorované pohyby častíc pripomínajú pohyby morských predátorov hľadajúcich korisť, vzorce klimatických zmien a výkyvy na akciovom trhu.

ihneď po veľký treskteploty boli také extrémne, že nemohli existovať atómové jadrá ani nukleóny, ich stavebné kamene. Takže v tomto prvom príklade bol vesmír naplnený „prvotnou polievkou“ kvarkov a gluónov.

Keď sa vesmír ochladzoval, toto médium „zamrzlo“ a vytvorili častice, ktoré poznáme dnes, ako sú protóny a neutróny. Tento jav sa opakuje v oveľa menšom meradle pri experimentoch s urýchľovačom častíc, kde zrážky medzi dvoma jadrami vytvárajú drobné kvapôčky kvarkovej hmoty. Tieto kvapôčky sa nakoniec premenia späť na normálnu hmotu prostredníctvom zmrazenia, transformácie známej výskumníkom vykonávajúcim tieto experimenty.

variácie v kvarkovej hmote

Vlastnosti kvarkovej hmoty sa však líšia v dôsledku rozdielov v tlaku a teplote v dôsledku zrážkovej energie v urýchľovačoch častíc. Táto variácia vyžaduje merania na „skenovanie“ hmoty v urýchľovačoch častíc rôznych energií, relativistickom zrážači ťažkých iónov (RHIC) v USA alebo superprotónovom synchrotróne (SPS) a veľkom hadrónovom urýchľovači (LHC) vo Švajčiarsku.

„Tento aspekt je taký dôležitý, že po celom svete, napríklad v Nemecku alebo Japonsku, sa budujú nové urýchľovače špeciálne pre takéto experimenty. Azda najdôležitejšou otázkou je, ako dochádza k prechodu medzi fázami: ako sa môže na fázovej mape objaviť bod zlomu,“ vysvetľuje Mäthe Senad, profesor fyziky na Katedre jadrovej fyziky na Univerzite Eötvös Lorand (ELTE).

Montáž stôp zrekonštruovaných z fotografií skutočných kolízií a príslušných detektorov v Brookhaven National Laboratory a CERN. Kredit: Mette Sissonad / Montáž vytvorila Univerzita Eötvösa Loranda Pôvodné fotografie pre montáž: Hviezda je Fenix: Brookhaven National Laboratory a CMS NA61: CERN

Dlhodobým cieľom výskumu je prehĺbiť naše chápanie kvarkovej hmoty a silnej interakcie, ktorá riadi interakcie v atómových jadrách. Naša súčasná úroveň vedomostí v tejto oblasti sa dá porovnať s chápaním elektriny ľudstvom počas éry Voltu, Maxwella či Faradaya. Aj keď mal prehľad o základných rovniciach, bolo potrebné vykonať značné množstvo experimentálnej a teoretickej práce na vývoj technológií, ktoré zásadne zmenili každodenný život, od žiarovky po televíziu, telefón, počítač a internet. Podobne, naše chápanie silnej interakcie je stále základné, takže výskum na jej zistenie a zmapovanie je nanajvýš dôležitý.

Inovácie vo femtoskopii

Výskumníci ELTE boli zapojení do experimentov na každom z vyššie uvedených urýchľovačov a ich práca v priebehu rokov priniesla komplexný obraz o geometrii kvarkovej hmoty. Dosiahli to aplikáciou femtoskopických techník. Táto technika využíva korelácie, ktoré vznikajú z neklasickej, kvantovej vlnovej povahy generovaných častíc, čo v konečnom dôsledku odhaľuje štruktúru média v mierke femtometra, zdroja emitujúceho častice.

Výskumníci z univerzity Eötvös pracujú na získavaní údajov z experimentu STAR v národnom laboratóriu Brookhaven. Poďakovanie: Mäte Sanad / Univerzita Eötvösa Loranda

„V posledných desaťročiach femtoskopia vychádzala z predpokladu, že kvarková hmota má normálne rozdelenie, t.j. Gaussov tvar nachádzajúci sa na mnohých miestach v prírode,“ vysvetľuje Marton Nagy, jeden z vedúcich výskumníkov v skupine.

Maďarskí vedci sa však obrátili na Lévyho proces, ktorý je známy aj ako všeobecnejší rámec v rôznych vedných disciplínach a ktorý je skúmaním predácie morskými predátormi, burzových procesov a dokonca aj klimatických zmien. Charakteristickou črtou týchto procesov je, že v nich v určitých momentoch nastávajú veľmi veľké zmeny (napríklad keď žralok hľadá potravu v novej oblasti), a v takýchto prípadoch ide skôr o Lévyho rozdelenie ako o normálne (Gaussovo) rozdelenie. je možné

Dôsledky a úloha ELTE

Tento výskum je životne dôležitý z mnohých dôvodov. Predovšetkým jednou z najštudovanejších čŕt tuhnutia kvarkovej hmoty, jej premeny na konvenčnú (hadrónovú) hmotu, je femtoskopický polomer (tiež nazývaný HBT polomer, vzhľadom na jeho vzťah k známym efektom Hanbury Brown a Twiss). do úvahy) je v astronómii), ktorý sa získava z femtoskopických meraní. Táto mierka však závisí od približnej geometrie média. Ako zhrnul Daniel Kinseys, postdoktorandský výskumník v skupine: „Ak Gaussov predpoklad nie je optimálny, najpresnejšie výsledky z týchto štúdií možno získať len za predpokladu Lévyho. Hodnota 'Lévyho exponentu', ktorú Lévy charakterizuje distribúcia môže tiež objasniť povahu fázového prechodu, takže jeho variácia s energiou kolízie poskytuje cenný pohľad na rôzne fázy kvarkovej hmoty.

Výskumníci ELTE sa aktívne zúčastňujú štyroch experimentov: NA61/SHINE na urýchľovači SPS, FENIX a STAR na RHIC a CMS na LHC. Skupinu NA61/SHINE ELTE vedie Yoshikazu Nagai, skupinu CMS vedie Gabriela Pasztor; a skupina RHIC od Máté Csanada, ktorý tiež koordinuje femtoskopický výskum ELTE.

Skupina významne prispieva k úspechu experimentov v rôznych kapacitách, od vývoja detektorov až po zber a analýzu údajov. Venuje sa aj niekoľkým projektom a teoretickému výskumu. „Na našom femtoskopickom výskume je jedinečné, že sa uskutočňuje v štyroch experimentoch v troch urýchľovačoch častíc – čo nám poskytuje komplexný pohľad na geometriu a možné fázy kvarkovej hmoty,“ hovorí Máté Sisnad.

Referencia: „Nová metóda na výpočet korelačných funkcií Bose-Einstein s interakciami v konečnom stave Coulomb“ od Martona Nagya, Alety Purzsovej, Máté Senadovej a Daniela Kinsesa, 8. novembra 2023, Európsky fyzický časopis C,
DOI: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y