U ekstremnom okruženju primordijalnog univerzuma, fundamentalne čestice, koje su sada čvrsto vezane u kompozitne, veće grupe,  bile su za najkraći trenutak  slobodne kao pojedinačne čestice. Koristeći najnovije akceleratore čestica, istraživači danas mogu od tih, osnovnih čestica tj. kvarkova, ponovo stvoriti stanje fluida, koje nazivamo 'Quark Gluon Plasmas'  (QGP) putem  sudara  teških jona, visokih energija. U svom istraživanju, dr Rene Bellwied na Univerzitet u Hjustonu koristi rezultate ovih eksperimenata da bi istražio fascinantnu dinamiku plazmi i proizvoda koje se pojavljuju kao posledica već, rečenih sudara. Nalazi njegovog tima sada bacaju novo svetlo na zagonetnu prirodu same materije.

____________________

Kvarkovi                                                             

Kvarkovi su fundamentalni dio najvećeg dala materije u univerzumu koju mi možemo posmatrati. Iako ove čestice mogu javiti u šest mogućih 'ukusa', većina spada u samo dve takve kategorije. To su: up- 'gore' i down- 'dole' kvarkovi, koji čine protone i neutrone, koji pak, čine svu materiju koja nas okružuje, a sastavni su deo i nas mamih.

Evolucija kosmosa, tokom vremena

Za apsolutno najveći deo istorije univerzuma, praktično svi  kvarkovi u svemiru, koliko znamo, postoje u vezanom stanju, tj. vezani su za jedan ili više drugiih kvarkova i nikada ne mogu postojati pojedinačno – sami za sebe. U protonima i neutronima, na primer, postoje u grupama od po tri, koje zajedno drži čestice jake nuklearne sile koje zovemo "gluonima".One pripadaju klasi čestica koje zvovemo bozonima, imaju celobrojni spin i posreduju u interakciji jake sile. Gluoni nemaju masu niti naelektrisanje. Nalze se u nekoj vrsti tečnog stanja. Smatra se da su idealno mazivo – bez sile trenja. Tokom proteklih nekoliko decenija, fizičari otkrivali su sve veći broj egzotičnijih čestica sastavljenih od različitih vrsta i kombinacija kvarkova; a ipak pravilo koje nalaže da, bez obzira na kombinaciju i vrstu, svi moraju biti zatvo-reni unutar veće čestice čiji su sastavni delovi, tj. uvek su zarobljeni.

Ipak, ovo nije uvek bilo slučaj: u jednom, najkraćem trenutku koji je usledio posle Velikog praska, temperature su bile takve kolosalno visoko da bi pravilo moglo biti privremeno narušeno. Otprilike, za jedan trilioniti dio nanosekunde, kvarkovi i gluoni su postojali kao pojedinačne čestice unutar zagonetne, ultra-vruće tečnosti. Danas fizičari ovo nazivaju neuhvatljivom supstancom 'Quark Gluonska Plasma'.

Veštačko stvaaranje laboratorijskih uslova ranog univerzuma

Kratka era u kojoj je Quark Gluon Plazma (QGP) dominirala svemirom, sada je daleka prošlost – ali zahvaljući najnovijoj generacij akceleratora čestica, istraživači sada mogu u kontrolisanim, laboratorijskim uslovima, mogu sada stvoriti okruženje i uslove kakvi su vladali u primordijalnoj fazi.                                

U svojoj srži, koncept koji stoji iza njihovog eksperimentalnog procesa je prilično jednostavan: moraju stvoriti/ osloboditi što više energije, na što manjem                       Evolucija kosmosa, tokom vremena

 prostoru.

Da bi to izveli, istraživači formiraju dva posebna snopa/mlaza subatomskih čestica, koje onda, u suprotnim smerovima, ubrzavaju korz akceleratorrske cevi do brzine od 99.999999%  brzine svetlosti, da bi ih, pri toj brzini, sudarili u specijalno dizajniranim, ogromnim detektorima. Kao posledicca tih, čečonih sudarima snopova jona, nastaje neverovatno veliki broj čestica svih vrsta iz Standardnog modela, i neverovatno velika količina podataka i informacija o njima. Te podatke, moćni računari skladište i čuvaju prema posebno dizajniranim softverskim rešenjima, tako da su dostupni on.line, u realnom vremenu, u preko 500 univerziteta iz više od 80 država koje učestvuju u projektu LHC. Posmatrajući ianalizirajući karakteristike novonastalih čestice ekperti iz fizike i drugih teh. Disciplina koriste za proveru svojih pretpostavki i proračuna mogućih rešenja. Da bi maksimizirali energiju sudara, a time podigli i njihovu temperaturu i gustinu, fizičari koriste teške jone stabilnih elemenata, kao što je olovo, koji nose daleko veći zamah /momentum/ nego čestice manje mase, pri istoj brzini. Tokom protekle dvije decenije, njihova napori su dali obećavajuće rezultate.

Poboljšanje "čudnih" čestica u funkciji broja "čudnih" kvarkova u česticama. Nature Phys., 13, 535	Fazni dijagram nuklearne materije i postrojenja koja  mogu izmeriti fazni prijelaz

 

'Kroz eksperimente u Relativistici, kao što su kolajder teških jona u Nacionalnoj laboratoriji Brukhejven, na Long Ajlendu i Veliki hadronski sudarač u CERN-u, Ženeva, fizičari su utvrdili, da  materija na dovoljno visokim temperaturama i visokim gustinama materie,  prlikom sudara snopova teških jona,  može preći u stanje kvark-gluonske-plazme,' kaže dr Rene Bellwied, sa Univerziteta u Hjustonu.

Baš kao u ranom univerzumu, trenutno nastalo stanje fluida (QGP), se ne zadržava dugo. Kvark gluonska plazma, stvorena nakon visokoenergetskih sudara se naglo hladi, i veoma brzo se ponovo pretvara u 'ponovno zarobljene' (‘re-confine’), spajajući se  sa nezavisnim i slobodnim kvarkovima i gluonima koji se grupišu zajedno, da formiraju nove čestice. Najčešće će to rezultirati novim protonima i neutronima. Ipak, kao što su otkrili dr. Bellwied i njegove kolege, proces ponovnog 'zarobljavanja' ('the re-confinement'), može biti veoma raznolik, tj. može imati mnogo varijanti. Uz pravi pristup, istraživači mogu koristiti svoju analizu o procesu ponovnog 'zarobljavanja',  kako bi se steklo dublje razumevanje prirode same materije.

Nove eksperimentalne mogućnosti

Sposobnost generisanja Quark Gluon plazme veštački, prema potrebi, otvorio je poslednjih godina, širok spektar mogućnosti za eksperimente u  fizici čestica i fizici visokih energija. Kao što dr Belvid objašnjava, istraživanja u ovoj oblasti, posebno su važna u dva aspekta.

Prvo, stvorena je mogućnost da se opiše, okarakteriše novo, kratkotrajno stanje materije i njena svojstva važna za učenje o osnovama slobodnih kvarkova i gluona', kaže on.

„Drugo, pokušavamo da razumemo formiranje materije i novih oblika materije kroz proučavanje prelaza natrag, u normalu materiju, iz kvark gluonske plazme.'Ovaj prvi aspekt istraživanja kvark gluonske plazme možda može doneti najneposrednije koristi za naše razumijevanje fizike čestica.

Kao osnovne čestice, kvarkovi i gluoni su, svaki ponaosob, ali i zajedno, ključni su elementi Standardnog modela, koji opisuje prirodu celokupne materije u svemiru prema našem sadašnjem razumijevanju. Sa sposobnošću proučavanja fizičkih svojstava pojedinačnih čestica, oslobođenih uticaja drugih, istraživači bi mogli poboljšati predviđanja Standardnog Modela, a možda čak i razotkriti neka od njegovih ograničenja.

Ovaj prvi aspekt istraživanja kvark gluonske plazme možda može donose najneposrednije koristi za naše razumijevanje fizika čestica. Kao osnovne čestice, kvarkovi i gluoni su oba ključna elementa Standardnog modela, koji opisuje prirodu celokupne materije u svemiru, prema našem sadašnjem i razumijevanje. Sa sposobnošću proučavanja fizičkih svojstava pojedinačnih čestica, oslobođenih uticaja drugih čestica, istraživači bi mogli poboljšati predviđanja Standardnog Modela, a možda čak i razotkriti neka od njegovih ograničenja.

U svom istraživanju, dr. Bellwied se više fokusira na drugi aspekt koji opisuje. Proučavanjem proces ponovnog zatvaranja/ograničavanja kvark gluonske plazme i produkata tog procesa uz detaljniju analizu posledica tog procesa, nalazi njegovog tima daju nove uvide na aspekte prirode materije koji se ne mogu dokazati kroz konvencionalnije eksperimente. Posebno su intrigantna tri specifične oblasti njegova istraživanja, uključujući čestice koji sadrže "čudne" kvarkove, zagonetne sadržaje ultragustih neutronskih zvijezda i misteriozni uticaj kvantne mehanike na dinamiku plazme.

Poboljšanje neobičnosti (čudnosti)

U poređenju sa kvarkovima, 'gore' (up) i 'dole' down, 'čudni' (strange) kvarkovi su daleko teži i daleko manje stabilni – nego bilo koji poznati oblik materije koji sadrži čestice koje se raspadaju samo nekoliko trenutaka nakon njihovog formiranja. Dr Bellwied i njegove kolege su sada otkrili
da tokom ponovnog zatvaranja kvark gluonske plazme, komparativno sestvara veliki broj ovih kvarkova: fenomen poznato kao 'poboljšanje neobičnosti'. 'Moja grupa je uspostavila značajno poboljšanje u proizvodnju 'čudnih' čestica koje sadrže 'čudne' kvarkove pored uobičajenih kvarkova 'gore' i 'dole', dr Bellwied ilustruje. 'Ove čestice se pojavljuju nakon velike brzine sudara jona i opšteno se može smatrati potpisom/garancijom za formiranje plazme.’ U početku su istraživači to postigli korištenjem sudara samo između teških jona. Ipak, u kasnijim istraživanjima, otkrili su da slični mehanizmi se mogu pojaviti nakon sudara između dva snopa protona, pod uslovom da je energija sudara dovoljno visoka.

Paralelno sa ovim eksperimentima, dr Belvid je radio sa svojom koleginicom dr Klaudijom Rati, takođe sa Univerziteta u Hjustonu, na razvoju teorijskog okvira za poboljšanje neobičnosti. Njihove teorije su objasnile kako karakteristike procesa ponovnog zatvaranja mogu varirati s temperaturom kvark gluonske plazme – otkrivajući da će čudne čestice nastati iz toplije plazme od onih koje stvaraju protone i neutrone. U kasnijim istraživanjima, ove ideje bi bile ključne za određivanje načina na koji se materija ponaša u nekim od najekstremnijih uslova koji se danas nalaze u poznatom svemiru.

Osvrt na unutrašnjost neutronskih zvijezda

NASA - silovito spajanja dve neutronske zvezde

Kada zvijezde mase između 10 i 25 puta veće od našeg Sunca dođu do kraja svog života, eksplodiraće u dramatičnim supernovama, ostavljajući za sobom tamna, brzo rotirajuća jezgra nazvana "neutronske zvijezde". Iako imaju samo desetine kilometara u prečniku, neutronske zvijezde imaju slične mase kao Sunce, što ih čini nezamislivo gustim. Čini se da se na svojoj površini neutronska zvijezda sastoji uglavnom od ogromnog broja visoko zbijenih neutrona, nalik na džinovsko atomsko jezgro. Međutim, ono što se nalazi ispod površine do sada je uglavnom ostala misterija. Trenutno, najperspektivnije tehnike za proučavanje ovih unutrašnjosti leže u detekciji gravitacionih talasa. Ovi talasi u prostor-vremenu nastaju kada se neutronske zvijezde sudaraju spiralno jedna u drugu i na kraju se spajaju. 'Sada smo pokazali da sudari velike brzine pri nižim energijama stvaraju istu gustoću energije kao one mjerene u spajanju neutronskih zvijezda, što je otkriveno gravitacijskim valovima', objašnjava dr. Bellwied. 'Sastav unutrašnjosti neutronske zvijezde trebao bi stvoriti jedinstveni potpis u emitiranom valu.' Neki teoretičari sada sugeriraju da bi ekstremne mase neutronskih zvijezda mogle biti posljedica obilja stabilnih čudnih kvarkova skrivenih duboko u njihovoj unutrašnjosti. U budućim istraživanjima, potpisi koje je generirao tim dr. Bellwieda mogli bi dovesti do eksperimentalnog dokaza ove teorije. Ako je tačno, to bi sugerisalo da se vruće kvark gluonske plazme stvaraju kada se masivne zvijezde kolabiraju. Nadalje, ova linija istraživanja može čak dovesti do novih uvida u formiranje još zagonetnijih crnih rupa.

Utjecaj isprepletenosti

Kroz svoje najnovije istraživanje, dr. Bellwied je počeo da istražuje kako na dinamiku kvark gluonske plazme, utiče fenomen kvantne isprepletenosti. Efekat opisuje sisteme jedne ili više čestica čije su sudbine suštinski povezane jedna s drugom – tako da ako se njihova stanja mere u isto vreme, rezultati svih opservacija će direktno odgovarati jedno drugom, bez obzira koliko su udaljeni u prostoru. čestice su odvojene. U sistemu kvantnih čestica tako duboko složen kao kvark gluonska plazma, kvantna isprepletenost stvara zamršenu mrežu interakcija između sastavnih kvarkova i gluona – snažno utečući na njihovu dinamiku. Do sada, međutim, ovaj uticaj nije bio široko razmatran. „Počeo sam da razmatram efekte kvantnog zapleta na početno stanje formiranja plazme i kako to može uticati na proizvodnju i emisiju čestica konačnog stanja“, kaže dr. Belvid. 'Ovo je prvi put da smo primijenili kvantnomehaničke principe na evoluciju neograničene materije.' Dr Bellwied se nada da će ovi rezultati dovesti do novih uvida kako u ponašanje neograničenih kvarkova i gluona, tako iu prirodu materije koja nastaje nakon toga. ponovno zatvaranje. Zauzvrat, nalazi bi mogli koristiti drugim poljima istraživanja njegovog tima: uključujući poboljšanje neobičnosti, sastav neutronskih zvijezda, pa čak i fundamentalna svojstva kvarkova i gluona.

Proširivanje obima istraživanja

Istraživanje dr. Bellwieda i njegovih kolega već je donelo značajan napredak u našem razumevanju kvark gluonske plazme i njenog ponovnog zatvaranja. Međutim, još uvijek postoji širok prostor za buduća istraživanja. U narednim godinama, Relativističkom sudaraču teških jona i Velikom hadronskom sudaraču će se pridružiti još dva najsavremenija akceleratora čestica: Postrojenje za istraživanje antiprotona i jona (FAIR) u Nemačkoj; i postrojenje za jonski kolajder baziran na nuklotronu (NICA) u Rusiji. Čak i dalje u budućnost, Brookhaven National Laboratory planira proširiti svoje objekte sudarača s elektronsko-jonskim kolajderom (EIC), a tim dr. Bellwieda je nedavno zamoljen da se pridruži saradnji kako bi pripremio detektor i program fizike sledeće generacije za EIC . Kroz opsežnija merenja sudara koja omogućavaju ovi dodaci, fizičari bi uskoro mogli steći još naprednije razumevanje dinamike koja je oblikovala naš svemir u njegovim prvim trenucima.

Izvor: WWW.SCIENTIA.GLOBAL 81 FIZIKA

https://www.scientia.global/wp-content/uploads/138.pdf