Fizycy dokonali właśnie przełomowego odkrycia w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), które może rzucić nowe światło na najwcześniejsze chwile istnienia Wszechświata. Po raz pierwszy w historii zaobserwowano produkcję pary kwarków szczytowych (top quarków) w zderzeniu dwóch ciężkich jąder atomowych – konkretnie jąder ołowiu.
To znaczący krok naprzód w badaniach nad plazmą kwarkowo-gluonową, czyli egzotycznym stanem materii, który istniał przez ułamek sekundy tuż po Wielkim Wybuchu.
Czym są kwarki szczytowe i dlaczego ich odkrycie jest tak ważne?
Kwarki szczytowe (top quarki) to najcięższe i najrzadsze spośród sześciu znanych „zapachów” kwarków. Ich masa i ultrakrótki czas życia – około 10⁻²⁵ sekundy – sprawiają, że są one wyjątkowo trudne do wykrycia, szczególnie w warunkach zderzeń ciężkich jonów, które trwają zaledwie 10⁻²³ sekundy.
Właśnie dlatego wykrycie pary tych kwarków w tak ekstremalnych warunkach jest dla fizyków niezwykle cennym sygnałem – dowodem, że wszystkie sześć typów kwarków mogło istnieć w „pierwotnej zupie” plazmy kwarkowo-gluonowej, która wypełniała Wszechświat zaraz po jego narodzinach.
Plazma kwarkowo-gluonowa: pierwotny stan Wszechświata
Plazma kwarkowo-gluonowa to stan materii, w którym kwarki i gluony – zazwyczaj związane wewnątrz protonów i neutronów – zostają uwolnione i tworzą luźną, oddziałującą mieszaninę.
To właśnie w takim stanie znajdował się cały Wszechświat ułamki sekund po Wielkim Wybuchu.
Po bardzo krótkim czasie ten egzotyczny stan zaczął się ochładzać, a cząstki zaczęły łączyć się w protony i neutrony, dając początek normalnej materii, z której zbudowany jest cały kosmos – od galaktyk po nasze ciała.
Jak wykryto parę kwarków szczytowych?
Fizycy z zespołu ATLAS Collaboration w CERN przeprowadzili eksperyment, w którym zderzali ze sobą jądra atomów ołowiu w Wielkim Zderzaczu Hadronów.
Zamiast bezpośredniego wykrycia kwarków, zespół przeanalizował ich produkty rozpadu w tzw. kanale dileptonowym:
- Kwark szczytowy rozpada się na kwark dolny i bozon W.
- Bozon W rozpada się następnie na neutrino oraz elektron lub mion.
- Obecność tych cząstek pozwala „cofnąć się” i zrekonstruować proces rozpadu kwarków szczytowych.
Pomiar uzyskano ze statystyczną istotnością 5,03 sigma, co oznacza, że prawdopodobieństwo przypadkowego wyniku jest ekstremalnie niskie. To pewna detekcja, uznawana w fizyce za próg odkrycia.
Co to oznacza dla nauki o początkach Wszechświata?
1. Potwierdzenie obecności wszystkich typów kwarków po Wielkim Wybuchu
To pierwsze tak silne dowody na to, że nawet najcięższe kwarki – top quarki – mogły istnieć w fazy przedrównowagowej plazmy kwarkowo-gluonowej.
2. Możliwość badania plazmy kwarkowo-gluonowej z użyciem najcięższych cząstek
To odkrycie daje fizykom nowe narzędzie do badania zachowania tej pierwotnej materii, zanim uformowała się znana nam materia.
3. Nowe ścieżki do zrozumienia ewolucji Wszechświata
Kwarki szczytowe mogą działać jako sondy, dostarczając informacji o właściwościach plazmy kwarkowo-gluonowej sprzed ułamków sekundy po Wielkim Wybuchu.
Czy jesteśmy bliżej odkrycia tajemnic początku czasu?
Z całą pewnością tak. Wykrycie pary kwarków szczytowych w zderzeniu ciężkich jąder to jeden z najbardziej ekscytujących momentów współczesnej fizyki cząstek. To dowód na to, że w laboratoriach na Ziemi jesteśmy w stanie odtworzyć – choćby na ułamek sekundy – warunki panujące w najwcześniejszych momentach istnienia Wszechświata.
„Ten wynik otwiera drogę do dalszych badań nad plazmą kwarkowo-gluonową i fizyką wczesnego Wszechświata z kwarkami górnymi” – podsumowują naukowcy z ATLAS Collaboration.
Podsumowanie
Po raz pierwszy w historii fizycy zaobserwowali parę kwarków szczytowych w zderzeniu ciężkich jąder atomowych.
To przełomowe odkrycie przybliża nas do zrozumienia, jak wyglądał Wszechświat tuż po Wielkim Wybuchu.
Wyniki badań otwierają nowe możliwości pomiarów plazmy kwarkowo-gluonowej – najwcześniejszego stanu materii w historii kosmosu.
Wyniki badań zostaną opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters .