Fizicienii au recreat „supa primordială” de după Big Bang și au găsit ceva neașteptat. Semnalul misterios are o semnificație de 5 sigma. Ce înseamnă asta

Experimentul recreează pentru fracțiuni infime de secundă plasma de quarcuri și gluoni, o stare extremă a materiei despre care fizicienii cred că a umplut Universul în primele microsecunde după Big Bang. Playtech a relatat recent despre experimente similare prin care cercetătorii de la CERN au reușit să producă „mini Big Bang-uri” folosind oxigen și neon. De această dată, însă, cercetătorii nu urmăresc doar apariția plasmei, ci încearcă să afle exact cum se transformă materia atunci când temperatura și densitatea se modifică.

O anomalie a apărut în aproximativ un miliard de coliziuni

Protonii și neutronii care formează nucleele atomilor nu sunt particule elementare. În interiorul lor se găsesc quarcuri, ținute împreună de gluoni prin intermediul interacțiunii nucleare tari. Atunci când materia este încălzită sau comprimată suficient de puternic, granițele protonilor și neutronilor dispar, iar quarcurile și gluonii formează un fluid extrem de fierbinte numit plasmă de quarcuri și gluoni.

Pentru a studia această materie, echipa STAR a analizat aproximativ un miliard de coliziuni între nuclee de aur, desfășurate la energii cuprinse între 3 și 7,7 GeV pentru fiecare pereche de nucleoni. Este zona inferioară a energiilor disponibile la RHIC și permite obținerea unei materii nucleare deosebit de dense. La cele mai mici energii, oamenii de știință au folosit o configurație „fixed-target”: un fascicul de nuclee de aur a fost trimis într-o folie subțire de aur amplasată în interiorul detectorului.

În fiecare coliziune, detectorul STAR urmărește particulele care ies din „mingea de foc” produsă în impact. Fizicienii au analizat impulsul transversal al particulelor, adică intensitatea cu care acestea sunt aruncate lateral, și au căutat corelații între ele. Astfel de corelații oferă informații despre fluctuațiile de temperatură și despre modul în care materia se extinde după coliziune.

Cercetătorii se așteptau ca aceste fluctuații să evolueze relativ lin pe măsură ce energia coliziunilor era modificată. Datele au arătat însă altceva: în cele mai centrale coliziuni, corelațiile au scăzut până la un minim și apoi au început din nou să crească.

Semnalul are 5 sigma, dar asta nu înseamnă că punctul critic a fost descoperit

Abaterea de la tendința așteptată are o semnificație statistică de aproximativ 5 sigma, prag extrem de important în fizica particulelor. Simplificat, dacă tendința reală ar fi perfect lină, probabilitatea ca fluctuațiile aleatorii ale datelor să producă singure o abatere atât de mare ar fi de aproximativ una la 3,5 milioane.

Această valoare nu înseamnă însă că cercetătorii au demonstrat existența punctului critic QCD. Ceea ce este foarte puțin probabil să fie o simplă eroare statistică este scăderea observată în date. Explicația acelei scăderi rămâne deschisă. Chiar autorii studiului subliniază că alte procese fizice ar putea influența fluctuațiile și că nu se știe încă în ce măsură acestea pot reproduce semnalul observat.

Așa-numitul punct critic QCD ar fi un loc special pe „harta” temperaturii și densității materiei nucleare. O analogie este apa: în anumite condiții, trecerea dintre lichid și vapori este clară, însă există un punct critic dincolo de care diferența dintre cele două faze dispare. Fizicienii suspectează de mult timp că și materia formată din quarcuri și gluoni are un asemenea reper.

La temperaturi foarte mari, trecerea dintre materia obișnuită și plasma de quarcuri și gluoni pare să se producă gradual. La densități mai ridicate, modelele teoretice sugerează că tranziția ar putea deveni bruscă. Punctul în care natura schimbă modul în care realizează această transformare este exact ceea ce încearcă fizicienii să găsească.

Descoperirea vine într-o perioadă în care acceleratoarele oferă tot mai multe informații despre primele momente ale Universului. În august, cercetătorii au arătat că plasma de quarcuri și gluoni poate apărea și în ciocniri dintre nuclee mai ușoare, rezultat explicat pe Playtech în materialul despre experimentele care au recreat condiții asemănătoare celor de după Big Bang.

Experimentul ne-ar putea spune cum a apărut materia din Universul actual

Importanța studiului depășește fizica acceleratoarelor. Plasma recreată în RHIC seamănă cu materia care exista în Univers la numai câteva microsecunde după Big Bang. Pe măsură ce Universul s-a extins și s-a răcit, quarcurile și gluonii s-au combinat și au format protoni și neutroni, componentele din care avea să apară ulterior materia obișnuită.

Înțelegerea „ecuației de stare” a materiei nucleare le-ar permite cercetătorilor să descrie mai precis legătura dintre temperatură, presiune și densitate în condiții extreme. Aceleași legi sunt relevante nu doar pentru Universul timpuriu, ci și pentru unele dintre cele mai extreme obiecte cosmice existente astăzi, inclusiv interiorul stelelor neutronice.

Acceleratoarele au produs deja rezultate spectaculoase atunci când cercetătorii au încercat să recreeze asemenea condiții. Într-un alt experiment relatat de Playtech, fizicienii au reușit chiar să transforme pentru o fracțiune infimă de secundă plumbul în aur, efect secundar al interacțiunilor extrem de energetice dintre nuclee.

Echipa STAR nu se oprește însă la semnalul actual. Cercetătorii vor încerca să extragă din aceste corelații căldura specifică a materiei extrem de fierbinți și să compare rezultatele cu simulări realizate pe supercomputere. De asemenea, vor combina măsurătoarea cu alte indicii, inclusiv fluctuațiile numărului de protoni produși în coliziuni.

Abia dacă mai multe măsurători independente vor indica aceeași regiune a diagramei de fază, fizicienii vor putea vorbi cu încredere despre existența punctului critic. Până atunci, experimentul oferă un indiciu neobișnuit de puternic că, într-un anumit set de condiții, materia nucleară începe să se comporte diferit de ceea ce ar prezice o evoluție simplă și uniformă. Rezultatul ar putea deveni astfel o nouă piesă importantă în încercarea de a explica drumul parcurs de Univers de la „supa” de quarcuri și gluoni de după Big Bang până la materia din care sunt alcătuite astăzi stelele, planetele și oamenii.