Już starożytni Grecy zastanawiali się z czego złożona jest wypełniająca Wszechświat materia, stawiając śmiałą hipotezę o istnieniu najmniejszych, niepodzielnych cegiełek zwanych atomami (z greckiego  ἄτομος – átomos  od α-, „nie-” + τέμνω – temno, „ciąć”). Obecnie, po ponad dwudziestu wiekach intensywnych badań odkryliśmy, że otaczająca nas materia składa się przede wszystkim (choć nie tylko) z kwakrów oraz elektronów, podstawowych i niepodzielnych cegiełek zwanych cząstkami elementarnymi, których rozmiar jest sto tysięcy razy mniejszy od rozmiaru atomu! Zjawiska przyrodnicze zachodzące na tak małych odległościach są badane przy użyciu niezwykle dużych zderzaczy cząstek (np. LHC, Genewa) których rozmiary sięgają kilkudziesięciu kilometrów. Wnikliwe obserwacje oraz studia teoretyczne pokazują, że kwarki mają niezwykłe własności fizyczne: nigdy nie pojawiają się samodzielnie, a zawsze w parach kwark-antykwark lub w trójkach składając się na cząstki takie jak proton, czy neutron.

W latach osiemdziesiątych fizycy wpadli na znakomity pomysł, aby zderzając ze sobą jądra ciężkich pierwiastków takich jak złoto, czy ołów stworzyć przez ułamek sekundy gęstą materię w której kwarki, składające się na protony i neutrony z obu jąder atomowych, stworzą wspólnie jedną kroplę kolektywnego stanu materii. Od tamtego czasu trwają fascynujące badania tak uzyskanego kwantowej substancji zwanej plazmą kwarkowo-gluonową. Zachowanie tej tajemniczej plazmy przypomina płyn o bardzo małej lepkości (płyn idealny) lecz teoretyczne zrozumienie tego faktu jest niejasne.

Rys. 1. Obecny obraz struktury materii w najmniejszych zbadanych doświadczalnie odległościach.

W pracy pt. „Constraining the initial stages of ultrarelativistic nuclear collisions” opublikowanej w czasopiśmie Phys. Rev. D 104, 074012 Jakub Jankowski, Syo Kamata, Mauricio Martinez i Michał Spaliński rozważyli ogólną klasę modeli opisujących zachowanie plazmy kwarkowo-gluonowej porównując ich przewidywania z obserwacjami. W szczególności ważną wielkością mierzoną doświadczalnie jest liczba wyprodukowanych w zderzeniu cząstek naładowanych (takich jak protony, piony i ich kuzyni) w funkcji centralności zderzenia. To ostatnie pojęcie choć tajemnicze jest intuicyjne: zderzenie centralne (umownie centralność 0%) to takie gdzie jądra uderzają o siebie „czołowo”, tak jak w tragicznym wypadku samochodowym. Zderzenie peryferyjne (umownie centralność około 100%) to takie przy którym jądra atomowe się lekko zaczepią, jak w niegroźnej miejskiej stłuczce. Jasne jest, że dla małej centralności (zderzenie czołowe) liczba wyprodukowanych cząstek naładowanych będzie duża, podczas gdy dla małej stłuczki będzie niewielka. Okazuje się, że dane pomiarowe zebrane dla pięciu różnych zderzanych jąder przy pięciu różnych energiach zderzenia wykazują nieoczekiwane uniwersalne zachowanie liczby wyprodukowanych cząstek naładowanych w funkcji centralności! Jak piszą autorzy: rozważane w naszej pracy modele teoretyczne mają tylko jeden parametr, nazwany β, który charakteryzuje nasz układ. Dla przykładu, cząstki rozbiegające się w swobodnie tj. bez wzajemnych oddziaływań, mają β=1. Na Rys. 2 obok danych doświadczalnych, przedstawione są przewidywania teoretyczne dla różnych wariantów warunków początkowych zderzenia. Badania te dają możliwość wglądu w fizyczne i nieoczekiwane własności plazmy złożonej z najmniejszych znanych cząstek, takiej samej jak ta, która istniała na samym początku życia Wszechświata.

Rys. 2. Liczba wyprodukowanych podczas zderzenia dwóch ciężkich jonów cząstek naładowanych elektrycznie w funkcji centralności zderzenia mierzonej w procentach, 0% zderzenie centralne, 100% brak zderzenia. Punkty, będące danymi pomiarowymi dla pięciu różnych doświadczeń, tworzą zaskakująco uniwersalną linię. Linie ciągłe/przerywane to przewidywania modelu dla różnych parametrów opisanych w prawym górnym rogu wykresu.

Dodała: Joanna Molenda-Żakowicz

Pełnomocnik Dziekana ds. promocji i kontaktów z mediami