U sudarima kisikovih jezgri fizičari su pronašli snažne dokaze da nastaje sićušna količina tvari kakva je ispunjavala svemir neposredno nakon Velikog praska. Na to upućuje slabljenje mlazova čestica zabilježeno detektorom STAR. Učinak je uočen u sudarima znatno manjih jezgri od onih koje se obično koriste za takva istraživanja.
Fizičari suradnje STAR na sudarivaču RHIC u američkom Nacionalnom laboratoriju Brookhaven istražuju koliko malen sustav može proizvesti kvark-gluonsku plazmu. U radu objavljenom u časopisu Physical Review Letters analizirani su podaci iz približno 500 milijuna sudara zabilježenih 2021. godine.
Materija u kojoj kvarkovi više nisu zarobljeni
U običnoj tvari kvarkovi su vezani unutar protona i neutrona, a gluoni prenose snažnu silu koja ih drži na okupu. Pri dovoljno visokoj temperaturi i gustoći energije može nastati drukčije stanje: kvarkovi i gluoni više nisu ograničeni na pojedinačne protone i neutrone, nego tvore zajednički medij.
Takva je kvark-gluonska plazma postojala tijekom prvih mikrosekundi nakon Velikog praska. U laboratoriju se nakratko stvara sudaranjem atomskih jezgri pri iznimno visokim energijama. Dosadašnja istraživanja velikim su se dijelom oslanjala na teške jezgre, primjerice zlatne ili olovne, koje sadrže mnogo više protona i neutrona od kisika.
Kisikova jezgra ima osam protona i osam neutrona. Sudari dviju takvih jezgri omogućuju provjeru nastaju li prepoznatljiva svojstva plazme i kada je na raspolaganju znatno manje nuklearne tvari. Za ovo mjerenje energija sudara iznosila je 200 gigaelektronvolta po paru nukleona, odnosno protona ili neutrona iz suprotnih jezgri.
Što je otkrilo slabljenje mlazova
Pri sudaru mogu nastati vrlo energični kvarkovi i gluoni koji se potom pretvaraju u usko usmjerene mlazove čestica. Ako prije izlaska prođu kroz kvark-gluonsku plazmu, predaju joj dio energije. To se naziva gašenjem mlazova, prema engleskom izrazu jet quenching.
STAR je usporedio sudare s većom i manjom aktivnošću, određenom brojem nastalih čestica. Istraživači su izdvojili događaje s jednom visokoenergetskom česticom te proučili čestice i mlazove koji izlaze u približno suprotnom smjeru. Tako su mogli tražiti gubitak energije uz manju ovisnost o pretpostavkama o geometriji sudara.
U aktivnijim sudarima po svakoj odabranoj referentnoj čestici zabilježeno je približno 20 posto manje visokoenergetskih čestica i mlazova u suprotnom smjeru. U smjeru referentne čestice nisu zabilježili usporedivo smanjenje.
Tih 20 posto odnosi se na smanjen broj čestica i mlazova u analiziranim rasponima energije, a ne na to da je svaki mlaz izgubio petinu energije. Dio mlazova nakon prolaska kroz medij više nema dovoljno energije da bi ušao u odabrani raspon mjerenja.
Dokaz iz manjih jezgri i pri nižoj energiji
Proračuni učinaka povezanih sa strukturom atomskih jezgri nisu mogli objasniti opaženo smanjenje. Rezultat upućuje na gubitak energije nakon sudara, dok čestice prolaze kroz nastali medij. Statistička značajnost pojedinih usporedbi kretala se od 2,7 do 5,2 standardne devijacije, ovisno o promatranoj veličini i referentnom proračunu.
ATLAS je u srpnju izvijestio o tom učinku u sudarima kisika i neona na CERN-ovu Velikom hadronskom sudarivaču. Posebnost STAR-ova rezultata jest što snažne dokaze donosi pri mnogo nižoj energiji sudara.
Mjerenje još ne određuje najmanju moguću kapljicu kvark-gluonske plazme ni točnu granicu ispod koje ona prestaje nastajati. Pokazuje da se gašenje mlazova može prepoznati i u ovom malenom sustavu. Za precizniju provjeru istraživači će analizirati dodatne podatke prikupljene 2026. detektorima STAR i sPHENIX.
