Zderzenia tlenu i neonu w CERN ujawniły ślady plazmy z początków Wszechświata

Kluczowy wynik eksperymentu ALICE dotyczył zależnego od geometrii anizotropowego przepływu w zderzeniach tlenu i neonu. Cząstki nie rozchodziły się przypadkowo. W ich pędach pojawiły się składowe eliptyczne i trójkątne, oznaczane jako v₂ i v₃. Ich zależność od centralności zderzenia — czyli od tego, jak centralnie mijają się jądra — zgadzała się z obliczeniami hydrodynamicznymi, które przekładają początkowy obszar nakładania się jąder na kierunkowy przepływ rozszerzającej się materii.

To istotna wskazówka. Gdy gorący, silnie oddziałujący ośrodek gwałtownie się rozszerza, jego końcowe cząstki zachowują informację o kształcie obszaru, w którym doszło do zderzenia. Początkowa geometria zostaje więc zapisana w kolektywnym ruchu produktów kolizji. Wyniki wskazują, że takie zachowanie może pojawiać się w układach znacznie mniejszych niż tradycyjnie wykorzystywane zderzenia ołów–ołów.

Cztery eksperymenty, wiele uzupełniających się sygnałów

Przesłanki nie ograniczały się do obserwacji przepływu. Wszystkie cztery główne eksperymenty LHC dostarczyły wyników, które wzajemnie się uzupełniają:

• ALICE znalazł dowody na utratę energii przez partony w zderzeniach tlen–tlen, analizując osłabienie produkcji cząstek o wysokiej energii. Kiedy energetyczne kwarki i gluony przechodzą przez gorący, gęsty ośrodek, mogą stracić część energii, zanim rozpadną się na wykrywalne cząstki.
• ATLAS zmierzył nierównowagę energii przeciwbieżnych dżetów w zderzeniach tlenu i neonu. Efekt był silniejszy w bardziej centralnych kolizjach, gdzie cząstki przemierzają większy obszar gorącej materii.
• CMS odnotował osłabienie produkcji naładowanych cząstek o dużym pędzie w zderzeniach tlen–tlen i neon–neon względem odniesienia proton–proton, a także sygnały sekwencyjnego tłumienia różnych stanów bottomonium, czyli układów zawierających ciężki kwark piękny i jego antykwark.
• LHCb wykazał, że mezony złożone z kwarku powabnego i lekkiego były silniej tłumione w większym układzie neonowym niż tlenowym. Eksperyment przedstawił również wstępne przesłanki tłumienia bottomonium w danych zderzeń proton–tlen i tlen–tlen.

Łącznie kolektywny przepływ, utrata energii przez partony i dżety, osłabienie produkcji cząstek o wysokim pędzie oraz tłumienie ciężkich kwarkoniów tworzą spójny zestaw wskaźników zachowania typowego dla QGP. Każda z tych obserwacji ma jednak możliwe alternatywne wyjaśnienia, które trzeba modelować i testować. Najostrożniejszy wniosek brzmi zatem: dane dostarczają zbieżnych dowodów na zachowanie podobne do plazmy kwarkowo-gluonowej w układach lekkich jonów, a nie bezpośredniego obrazu kropli plazmy.

Cząstki zdradziły kształt jąder

Porównanie tlenu i neonu zmieniło również LHC w pośrednie laboratorium fizyki jąder atomowych. Jądro tlenu-16 jest w przybliżeniu kuliste. Jądro neonu-20 jest natomiast trwale zdeformowane i często opisuje się je jako wydłużone, przypominające kręgle. Orientacja takiego jądra w chwili zderzenia wpływa na kształt obszaru powstającego po kolizji.

ALICE porównał wzory przepływu w zderzeniach neon–neon i tlen–tlen. Stosunki między tymi układami ograniczają wpływ efektów wspólnych dla obu rodzajów kolizji, dzięki czemu porównanie staje się bardziej czułe na różnice w początkowej geometrii jąder oraz na drobniejsze fluktuacje ich struktury. Zmierzone współczynniki przepływu i ich zależność od centralności zgadzały się z obliczeniami hydrodynamicznymi uwzględniającymi realistyczne kształty tlenu i neonu.

W praktyce pozostałości po zderzeniu zadziałały jak pośredni obraz jąder sprzed kolizji. Niemal kulisty tlen i wydłużony neon pozostawiają różne geometryczne odciski w kolektywnym rozszerzaniu się materii, choć samych jąder nie da się bezpośrednio zobaczyć w taki sposób jak większych obiektów.

Nowa metoda badania budowy jądra

Deformację jąder tradycyjnie analizuje się przy niskich energiach, między innymi poprzez pasma rotacyjne, wzbudzenia drganiowe i przejścia elektromagnetyczne. Program zderzeń lekkich jonów w LHC dodaje do tego podejście wysok energetyczne: jądra rozpędza się niemal do prędkości światła, zderza, a następnie z przepływu końcowych cząstek odtwarza ich początkową geometrię.

Nie jest to zamiennik spektroskopii niskoenergetycznej, lecz metoda uzupełniająca. Pozwala sprawdzać, jak całościowy kształt jądra — a być może także fluktuacje zachodzące w mniejszej skali — wpływa na dynamikę wyjątkowo gorącego i szybko rozszerzającego się układu. Daje też możliwość testowania modeli hydrodynamicznych w bardzo małych systemach, w których wyniki są bardziej wrażliwe na przyjęte założenia.

W ten sposób jedno doświadczenie łączy dwa obszary fizyki, które często bada się osobno: strukturę jąder atomowych oraz właściwości materii wypełniającej Wszechświat krótko po Wielkim Wybuchu.

Czy hel-4 wyznaczy dolną granicę?

Kolejnym testem granicy rozmiaru układu mogłyby być zderzenia jeszcze lżejszych jąder, w tym helu-4. Porównanie helu z tlenem i neonem pozwoliłoby sprawdzić, przy jakim rozmiarze, czasie życia i gęstości energii kolektywny przepływ oraz sygnały utraty energii zaczynają słabnąć lub zanikają.

Takie pomiary mogłyby pomóc określić minimalne warunki powstawania ośrodka zachowującego się jak QGP, a także dostarczyć kolejnej geometrii do testowania modeli budowy jąder i materii silnie oddziałującej. Dostępne źródła nie potwierdzają jednak przeprowadzenia konkretnej serii zderzeń z helem-4, jej harmonogramu ani przewidywanej czułości. Należy więc traktować ten pomysł jako możliwy kierunek przyszłych badań, a nie ogłoszony wynik.