Teški kvarkovi u kvark-gluonskoj plazmi češće doživljavaju snažne trzaje nego što predviđa uobičajeni model njihova gibanja, pokazuje novi teorijski izračun. Ti su događaji i dalje rijetki, ali njihova učestalost mogla bi pomoći fizičarima da istraže strukturu plazme kakva je ispunjavala svemir neposredno nakon Velikog praska.
Kvark-gluonska plazma iznimno je vruće stanje tvari u kojem kvarkovi i gluoni više nisu zatvoreni unutar pojedinačnih protona i neutrona. Kvarkovi čine te čestice, a gluoni prenose snažno međudjelovanje koje ih povezuje. U prvim mikrosekundama nakon Velikog praska temperatura je bila toliko visoka da su zajedno tvorili gustu plazmu.
Fizičari takvu tvar danas nakratko stvaraju u sudarima atomskih jezgri. Promatrajući čestice koje izlaze iz tih sudara pokušavaju rekonstruirati što se događalo u sićušnoj kapljici plazme. Nedavna istraživanja sudara kisikovih jezgri pokazuju koliko je pritom važno razumjeti što prolazak kroz plazmu čini vrlo energičnim česticama.
Kad zvonolika krivulja nije dovoljna
Teški kvarkovi tijekom prolaska kroz plazmu s njom razmjenjuju energiju i količinu gibanja. Iz promjena koje pritom dožive fizičari mogu zaključivati o svojstvima okolne tvari, zbog čega ih koriste kao svojevrsne sonde. Za to im treba pouzdan matematički opis kvarkova gibanja.
Jedan od uobičajenih pristupa oslanja se na Brownovo gibanje, nasumično pomicanje čestice zbog mnoštva sitnih udaraca iz okoline. Einstein je 1905. povezao takvo gibanje s mikroskopskim sastavom fluida. U tom su opisu važni otpor koji usporava česticu i slučajni udarci koji joj mijenjaju gibanje.
Gaussov model te slučajne promjene prikazuje poznatom zvonolikom krivuljom. Mala odstupanja od prosječnog ponašanja česta su, dok vjerojatnost velikih odstupanja brzo opada. Takav opis dobro obuhvaća ono što se događa najčešće, ali može podcijeniti rijetke i mnogo snažnije promjene.
Jean F. Du Plessis i Bruno Scheihing-Hitschfeld izračunali su kako teški kvark razmjenjuje količinu gibanja s plazmom u smjeru svojega kretanja. U radu objavljenom 5. studenoga u časopisu Physical Review Letters promatrali su kvark koji se kroz plazmu giba relativističkom brzinom. Njihov model opisuje sustav u kojem čestice slabo međudjeluju, a uključili su i doprinose izostavljene u jednostavnijoj aproksimaciji.
Središnji dio dobivene raspodjele zadržao je približno Gaussov oblik. Na njezinim rubovima, koji opisuju rijetke događaje, vjerojatnost opada sporije, eksponencijalno. Veliki prijenosi količine gibanja time ostaju rijetki, ali su češći nego što bi se zaključilo iz same zvonolike krivulje.
Jači trzaji nisu jednako vjerojatni u oba smjera
Veliki otkloni od prosječnog usporavanja kvarka nisu jednako vjerojatni u oba smjera. Kako Du Plessis objašnjava u priopćenju MIT-a, češći su oni nakon kojih se kvark giba sporije od očekivanoga nego usporedivi otkloni nakon kojih je brži. Bez te asimetrije model ne bi ispravno opisao kako kvark dolazi u toplinsku ravnotežu s plazmom.
Isti osnovni oblik raspodjele autori su prepoznali u ranijem izračunu za snažno međudjelujuću plazmu iz druge teorije. Iako se mikroskopski opisi tih sustava znatno razlikuju, oba daju Gaussovu jezgru i asimetrične eksponencijalne rubove. Zbog toga istraživači očekuju da bi slična svojstva trebala imati i stvarna kvark-gluonska plazma.
Učestalost velikih trzaja pritom se razlikuje od modela do modela i ovisi o brzini kvarka. Upravo bi te razlike mogle poslužiti za provjeru različitih opisa unutarnje strukture plazme.
Autori predlažu da se u modele gibanja teških kvarkova, uz prosječni otpor i uobičajeno raspršenje količine gibanja, uključi i veličina koja opisuje učestalost velikih odstupanja. Usporedba s mjerenjima iz sudara teških iona pokazala bi koliko taj prošireni opis bolje odgovara ponašanju stvarne plazme.
