Pierwotna materia ujawnia tajniki wczesnego wszechświata
Jądra atomów składających się na zwykłą materię same składają się z protonów i neutronów. Te z kolei cząstki subatomowe są złożone z kwarków połączonych przez cząstki nazwane gluonami. Temperatury panujące we wszechświecie tuż po Wielkim Wybuchu były jednak dostatecznie wysokie, by uniemożliwić łączenie się kwarków. Spowodowało to wytworzenie gęstej mieszaniny kwarków i gluonów zwanej plazmą kwarkowo-gluonową. Aby odtworzyć warunki, jakie panowały kilka milionowych sekundy po Wielkim Wybuchu, prowadzone są próby ze zderzaniem czołowym ciężkich jonów w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w Europie i Relatywistycznym Zderzaczu Ciężkich Jonów (RHIC) w Stanach Zjednoczonych. Analizując pozostałości po poszczególnych zderzeniach, badacze korzystający z dofinansowania UE zyskali cenny wgląd w istotę plazmy kwarkowo-gluonowej. Stan końcowy pozostałości ujawnił właściwości transportowe plazmy kwarkowo-gluonowej i najwcześniejsze etapy zderzeń ciężkich jonów. Badacze sporządzili mapę wskazującą, które właściwości stanu początkowego determinują konkretne aspekty zaobserwowanych cząstek. Wyplątanie geometrii początkowej z końcowego przepływu anizotropowego pozwoliło wyodrębnić lepkość dynamiczną i objętościową plazmy kwarkowo-gluonowej. Oddziaływanie lepkości objętościowej zwykle wpływa na wartość lepkości dynamicznej, przez co trudno jest ustalić wartość jednego typu lepkości, nie znając drugiego. Badania prowadzone w ramach projektu HICATLHC (Phenomenology of heavy ion collisions at RHIC and the LHC) ujawniły kluczowe różnice umożliwiające obliczanie faktycznych wartości tych właściwości dla plazmy kwarkowo-gluonowej, będącej cieczą zbliżoną do idealnej. Oczekiwano, że zachowanie plazmy kwarkowo-gluonowej będzie raczej bliższe gazowi, którego cząstki wchodzą ze sobą nawzajem w słabe interakcje. Okazuje się jednak, że zachowanie to jest bliższe cieczy, co sugeruje silniejsze interakcje między cząstkami. Aby to zbadać, symulowano zderzenia coraz to mniejszych jonów. Wyniki pozwoliły lepiej poznać warunki powstawania plazmy kwarkowo-gluonowej. Głównym celem zderzania ciężkich jonów zawsze było uzyskanie układu na tyle dużego, by zbliżał się do równowagi termodynamicznej. Dopiero po spełnieniu tego warunku badacze mogą analizować własności transportowe masowej materii jądrowej. Wykonując symulacje hydrodynamiczne zderzeń jądro-jądro i jądro-proton, naukowcy poszukiwali najmniejszego możliwego rozmiaru kropli plazmy kwarkowo-gluonowej. Ostatnie modernizacje zderzaczy LHC i RHIC pozwoliły zwiększyć liczbę typów zderzanych cząstek, poszerzyć zakres energii pracy i poprawić dokładność detektorów. Wszystko to powinno wspomóc szczegółowe analizy plazmy kwarkowo-gluonowej. Jak wskazują wyniki projektu HICATLHC, uzyskiwane dane niewątpliwie przyniosą jeszcze wiele niespodzianek naukowych.
Słowa kluczowe
Wczesny wszechświat, plazma kwarkowo-gluonowa, LHC, RHIC, zderzenia ciężkich jonów, HICATLHC
