Fizicienii au recreat prima milisecundă după Big Bang și au descoperit că Universul timpuriu era mai „vâscos” decât se credea

Primele clipe din istoria Universului rămân unele dintre cele mai greu de înțeles etape din fizică. Nu pot fi observate direct cu telescoapele, pentru că Universul era opac, extrem de fierbinte și complet diferit de ceea ce vedem azi. Tocmai de aceea, fizicienii încearcă de ani buni să refacă în laborator, pentru fracțiuni infime de secundă, condițiile care au existat imediat după Big Bang. Un nou rezultat obținut la Large Hadron Collider (LHC), de echipa CMS, oferă acum un indiciu foarte important despre cum se comporta materia în acea perioadă: mai degrabă ca un lichid „soupy” (un fel de supă densă), nu ca un gaz simplu de particule.

Descoperirea vine din observarea unui efect extrem de subtil: o mică „scădere” în producția de particule în urma unui quarc de energie mare care traversează plasma quarc-gluon. Semnalul este minuscul, sub 1%, dar exact acest tip de urmă era prezis de teorie. Pe scurt, cercetătorii au reușit să vadă pentru prima dată un fel de „dâră” lăsată de quarc în plasma primordială, similară cu urma unei bărci pe apă. Rezultatul nu este doar o confirmare elegantă a modelelor teoretice, ci și o nouă fereastră spre primele momente ale Universului.

Cum au recreat cercetătorii materia din primele clipe ale Universului

Experimentul pornește de la un principiu devenit deja clasic în fizica energiilor înalte: dacă ciocnești nuclee atomice grele la viteze apropiate de viteza luminii, materia se „topește” temporar într-o stare exotică numită plasmă quarc-gluon. În această stare, quarcurile și gluonii nu mai sunt „închiși” în protoni și neutroni, ci se pot mișca mai liber într-un mediu extrem de fierbinte și dens. Exact această formă de materie se crede că a umplut Universul în primele microsecunde după Big Bang, înainte ca totul să se răcească și să apară particulele stabile din care este construită materia obișnuită.

Ce face totul și mai spectaculos este scara la care se întâmplă fenomenul. Picătura de plasmă creată într-o astfel de coliziune este incredibil de mică, de ordinul a 10^-14 metri, adică de aproximativ 10.000 de ori mai mică decât un atom, și dispare aproape instantaneu. Cu toate acestea, în acel timp extrem de scurt, fizicienii pot observa cum energia și materia se propagă prin mediu și pot deduce proprietăți fundamentale despre comportamentul plasmei. Potrivit explicațiilor oferite de Yi Chen, membră a echipei CMS, quarcurile și gluonii din această plasmă se comportă mai degrabă ca un lichid ultrafierbinte decât ca un nor de particule care se mișcă aleatoriu.

Vezi și:

Cum funcționează drona marină MAGURA V5. Este una dintre cele mai avansate arme navale și poate parcurge până la 800 de kilometri

Miza științifică este uriașă. Dacă înțelegi cum interacționează o particulă energetică cu această plasmă, înțelegi mai bine și ce proprietăți avea Universul timpuriu: cât de ușor „curgea” materia, cum transfera energie și impuls și cât de repede se uniformiza după perturbații. Într-un fel, cercetătorii nu studiază doar o coliziune de laborator, ci încearcă să reconstruiască regulile de comportament ale materiei dintr-o epocă în care atomii, stelele și galaxiile încă nu existau.

Urma lăsată de un quarc și rolul esențial al bosonului Z

Teoria sugera de mult timp că un quarc foarte energetic, care străbate plasma quarc-gluon, ar trebui să lase în urmă un fel de „gol” subtil, o regiune ușor sărăcită în particule. Imaginea folosită de cercetători este simplă și foarte intuitivă: o barcă ce taie apa împinge lichidul în față și în lateral, iar în spate poate rămâne o urmă, o mică depresiune. În cazul plasmei, „barca” este quarcul, iar „apa” este mediul primordial format din quarcuri și gluoni. Problema este că semnalul este extrem de greu de separat de restul haosului produs într-o coliziune nucleară.

Aici intervine una dintre cele mai elegante părți ale experimentului: folosirea bosonului Z ca „marker curat”. În anumite coliziuni, un boson Z și un quarc de energie mare sunt creați împreună și pleacă în direcții opuse. Bosonul Z interacționează foarte slab cu plasma, așa că iese practic neafectat din zona coliziunii. Asta îi permite echipei CMS să îl folosească drept reper pentru direcția și energia inițială a quarcului. Cu acest punct de referință, fizicienii pot analiza mai precis ce se întâmplă în spatele traseului quarcului și pot căuta acea „adâncitură” prezisă de teorie.

Vezi și:

Big Bang-ul ar putea fi mai simplu decât credeam: o nouă teorie spune că începutul Universului nu are nevoie de atâtea artificii

Plumb transformat în aur la acceleratorul de particule: descoperirea accidentală care i-a surprins pe fizicieni

Mai exact, echipa a măsurat corelațiile dintre bosonii Z și hadronii produși în urma coliziunilor. Prin analiza numărului de hadroni observați în direcția „din spate” față de mișcarea quarcului, cercetătorii au identificat un efect de suprimare sub 1%. Pare foarte puțin, dar în fizica particulelor un astfel de semnal poate fi decisiv, mai ales când este exact ceea ce modelele teoretice anticipau. Faptul că efectul a fost văzut clar în evenimentele „etichetate” cu boson Z este considerat o premieră experimentală.

De ce această descoperire contează pentru cosmologie și viitorul cercetării

Importanța rezultatului nu se oprește la fizica particulelor. Descoperirea are și o componentă cosmologică puternică, pentru că plasma quarc-gluon nu este doar un „truc de laborator”, ci o stare reală a materiei care a existat în Universul timpuriu. În primele momente după Big Bang, înainte de formarea protonilor și neutronilor, întregul Univers era într-o astfel de fază densă și fierbinte. Asta înseamnă că orice informație nouă despre comportamentul plasmei ne ajută să înțelegem mai bine cum a evoluat cosmosul din acel stadiu primordial spre structurile pe care le vedem azi.

Un aspect foarte interesant este interpretarea „vâscozității” acestui mediu. Cercetătorii explică fenomenul tot prin analogie: dacă apa curge ușor, urma unei bărci se umple repede; dacă mediul este mai gros, mai apropiat de miere, depresiunea persistă mai mult. Forma și adâncimea acestei urme din plasmă pot spune cât de „fluidă” sau cât de „vâscoasă” era materia primordială. Tocmai de aceea, observarea dip-ului este atât de valoroasă: oferă o metodă nouă de a sonda proprietățile plasmei fără a fi nevoit să te bazezi doar pe semnale amestecate și greu de separat.

Iar acesta este doar începutul. Echipa CMS spune că, odată cu acumularea de date noi, efectul va putea fi măsurat mai precis, ceea ce ar putea duce la estimări mai bune despre transportul de energie în plasmă, despre răspunsul mediului la perturbații și despre proprietăți fundamentale care până acum erau doar aproximative. Cu alte cuvinte, ceea ce azi pare un semnal minuscul de sub 1% poate deveni, în următorii ani, una dintre cele mai importante unelte pentru a studia „supa primordială” a Universului.

Rezultatul arată și cât de importantă este răbdarea în știință. Semnalul era prezis, dar a fost nevoie de ani întregi de măsurători, calibrare și analiză pentru a fi demonstrat convingător. Într-un domeniu în care experimentele sunt uriașe, scumpe și tehnic foarte dificile, fiecare astfel de confirmare contează enorm. Nu doar pentru că validează o idee, ci pentru că deschide o direcție nouă de lucru. Iar în cazul de față, direcția este una dintre cele mai fascinante posibile: înțelegerea directă, prin experimente de laborator, a felului în care s-a comportat materia în primele clipe după nașterea Universului.

Pe scurt, fizicienii nu au „văzut” Big Bang-ul propriu-zis, dar au reușit să reconstruiască o mică parte din condițiile de după el și să surprindă un detaliu extrem de fin al comportamentului materiei primordiale. Iar acel detaliu spune ceva esențial: Universul timpuriu nu era doar fierbinte și haotic, ci avea proprietăți de fluid complexe, aproape „culinare” în analogia cercetătorilor. Pentru fizică, este o descoperire elegantă. Pentru noi, este încă un pas prin care înțelegem cum a început totul.

Munca de acasă nu îi face automat pe angajați mai fericiți. Ce arată studiile despre joburile fără birou