Voisiko alkuräjähdyksen ottaa uusiksi?
Cernin hiukkaskiihdyttimellä on onnistuttu tuottamaan maailmankaikkeuden varhaisvaiheita muistuttavaa ainetta selvästi aiempaa pienempien atomiytimien törmäyksissä. Kööpenhaminan yliopiston mukaan tulos voi auttaa sekä alkuräjähdyksen jälkeisen aineen että atomiytimien rakenteen tutkimuksessa.
Kööpenhaminan yliopiston Niels Bohr -instituutin tutkijat ja kansainvälinen ALICE-yhteistyöryhmä törmäyttivät Cernin LHC-hiukkaskiihdyttimessä happi-16- ja neon-20-ytimiä lähes valon nopeudella.
Tulokset on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä.
Törmäyksissä syntyi erittäin pieniä pisaroita kvarkki-gluoniplasmaa. Kyseessä on äärimmäisen kuuma ja tiheä aineen olomuoto, jonka uskotaan täyttäneen maailmankaikkeuden sen ensimmäisen sekunnin miljoonasosan aikana.
Tuolloin lämpötila oli niin korkea, etteivät protonit ja neutronit olleet vielä muodostuneet. Niiden rakenneosat eli kvarkit ja gluonit liikkuivat vapaasti kuumassa plasmassa. Maailmankaikkeuden laajentuessa ja jäähtyessä kvarkit sitoutuivat myöhemmin protoneiksi ja neutroneiksi, joista puolestaan muodostuivat atomiytimet.
Kvarkki-gluoniplasmaa on tuotettu hiukkaskiihdyttimissä jo aikaisemmin, mutta siihen on tyypillisesti käytetty hyvin raskaita ytimiä, kuten lyijyä. Nyt tutkijat osoittivat, että samanlainen kollektiivisesti käyttäytyvä aine voi muodostua myös huomattavasti pienempien happi- ja neon-ytimien törmäyksissä.
Tutkimusta johtaneen You Zhoun mukaan tulos siirtää rajaa sille, kuinka pienessä törmäysjärjestelmässä tällainen äärimmäinen aineen tila voidaan synnyttää. Tutkijat eivät kuitenkaan vielä tiedä, missä tarkka alaraja kulkee.
Kokeen kiinnostavin yksityiskohta liittyy neon-20-ytimen muotoon. Törmäyksessä syntyvää kvarkki-gluoniplasmaa ei voida havainnoida suoraan, sillä se säilyy vain äärimmäisen lyhyen ajan. Sen ominaisuuksia voidaan kuitenkin päätellä törmäyksestä ulos sinkoutuvien hiukkasten liikkeistä.
Happi-16-ytimien törmäykset tuottivat melko pyöreää rakennetta vastaavan hiukkasjakauman. Neon-20:n tapauksessa hiukkasten liikekuvio puolestaan vastasi pitkänomaista, keilaa muistuttavaa ydintä. Alkuperäisen atomiytimen geometria siis jättää mitattavan jäljen syntyvän plasman virtaukseen.
Tutkijoiden mukaan menetelmällä voidaan saada uutta tietoa myös itse atomiytimistä. Ytimen muoto kertoo siitä, kuinka protonit ja neutronit järjestäytyvät ja miten vahva vuorovaikutus sitoo niitä toisiinsa. Vahva vuorovaikutus on yksi luonnon neljästä perusvuorovaikutuksesta.
Atomiytimien rakennetta on perinteisesti tutkittu paljon matalammilla energioilla esimerkiksi niiden pyörimis- ja värähtelytilojen avulla. Nyt samaa rakennetta voidaan lähestyä vastakkaisesta suunnasta: ytimet murskataan mahdollisimman suurilla energioilla ja niiden alkuperäinen muoto päätellään törmäyksessä syntyneiden hiukkasten jakaumasta.
Seuraavaksi ALICE-tutkijat aikovat kokeilla vielä kevyempiä ytimiä, kuten helium-4:ää, selvittääkseen, kuinka pienessä järjestelmässä kvarkki-gluoniplasman kaltainen kollektiivinen tila voi ylipäätään muodostua, tiedote kertoo.