Συγκρούσεις βαρέων πυρήνων στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN αποκάλυψαν για πρώτη φορά ένα εξαιρετικά αμυδρό «ίχνος» που αφήνει ένα υψηλής ενέργειας κουάρκ καθώς διασχίζει πλάσμα κουάρκ-γλουονίων – την πρωταρχική μορφή ύλης που πιστεύεται ότι γέμιζε το Σύμπαν λίγα μικροδευτερόλεπτα μετά το Big Bang (Μεγάλη Έκρηξη).
Τα νέα ευρήματα της συνεργασίας Compact Muon Solenoid (CMS) δημοσιεύθηκαν στις 25 Δεκεμβρίου 2025 στο περιοδικό Physics Letters B και προσφέρουν νέα δεδομένα για τη συμπεριφορά της ύλης στις πρώτες στιγμές της κοσμικής ιστορίας.
Τι είναι το πλάσμα κουάρκ-γλουονίων
Το πλάσμα κουάρκ-γλουονίων είναι μια ακραία κατάσταση ύλης που υπήρχε στα πρώτα μικροδευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Σε αυτές τις συνθήκες, η θερμοκρασία και η πυκνότητα είναι τόσο υψηλές ώστε τα πρωτόνια και τα νετρόνια «λιώνουν» και τα βασικά τους συστατικά — τα κουάρκ και τα γλουόνια — κινούνται ελεύθερα, χωρίς να είναι εγκλωβισμένα μέσα στους ατομικούς πυρήνες.
Οι φυσικοί θεωρούν ότι το πλάσμα αυτό αποτέλεσε την πρώτη μορφή ύλης στο Σύμπαν, πριν αυτό ψυχθεί και σχηματιστούν τα γνωστά σωματίδια και τελικά τα άτομα.
Αναδημιουργώντας τις συνθήκες του πρώιμου Σύμπαντος
Όταν βαρείς ατομικοί πυρήνες συγκρούονται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός στον LHC, λιώνουν προσωρινά σε μια ακραία κατάσταση ύλης γνωστή ως πλάσμα κουάρκ-γλουονίων. Σε αυτό το περιβάλλον, η πυκνότητα και η θερμοκρασία είναι τόσο υψηλές ώστε η κανονική δομή των ατόμων καταρρέει και τα κουάρκ και τα γλουόνια – οι φορείς της ισχυρής πυρηνικής δύναμης που συγκρατεί τους πυρήνες – κινούνται ελεύθερα, συμπεριφερόμενα περισσότερο σαν υπέρθερμο υγρό παρά σαν αέριο σωματιδίων.
Το «σταγονίδιο» αυτού του πλάσματος είναι εξαιρετικά μικρό, με διάμετρο περίπου 10⁻¹⁴ μέτρα, δηλαδή 10.000 φορές μικρότερο από ένα άτομο, και διαρκεί ελάχιστο χρονικό διάστημα. Παρ’ όλα αυτά, στο εσωτερικό του παρατηρείται συλλογική ροή των κουάρκ και γλουονίων.
Οι φυσικοί επιδιώκουν να κατανοήσουν πώς αλληλεπιδρούν σωματίδια υψηλής ενέργειας με αυτό το μέσο. Η θεωρία προέβλεπε ότι ένα κουάρκ που διαπερνά το πλάσμα θα άφηνε πίσω του ένα «ίχνος», ανάλογο με το κύμα που δημιουργεί ένα σκάφος στο νερό: συσσώρευση ύλης μπροστά του και μια ελαφρά «υποχώρηση» πίσω του.
Η ανίχνευση αυτού του φαινομένου είναι ιδιαίτερα δύσκολη, καθώς το πλάσμα είναι μικροσκοπικό και οι αλληλεπιδράσεις στην «μπροστινή» περιοχή του κουάρκ είναι έντονες, καθιστώντας δύσκολη τη διάκριση των σημάτων.
Ο ρόλος του μποζονίου Ζ
Για να απομονώσουν το αναμενόμενο ίχνος, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα «καθαρό» σωματίδιο αναφοράς: το μποζόνιο Ζ, φορέα της ασθενούς πυρηνικής δύναμης. Σε ορισμένες συγκρούσεις, παράγονται ταυτόχρονα ένα μποζόνιο Ζ και ένα κουάρκ υψηλής ενέργειας, τα οποία κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις.
Σε αντίθεση με τα κουάρκ και τα γλουόνια, το μποζόνιο Ζ δεν αλληλεπιδρά ουσιαστικά με το πλάσμα και διαφεύγει αλώβητο, επιτρέποντας στους ερευνητές να καθορίσουν με ακρίβεια την αρχική κατεύθυνση και ενέργεια του κουάρκ.
Η ομάδα του CMS μέτρησε συσχετίσεις μεταξύ των μποζονίων Ζ και των αδρονίων – σύνθετων σωματιδίων που αποτελούνται από κουάρκ – που προέκυπταν από τις συγκρούσεις. Αναλύοντας τον αριθμό των αδρονίων στην «πίσω» κατεύθυνση σε σχέση με την κίνηση του κουάρκ, εντόπισαν την προβλεπόμενη μεταβολή.
Μικρό αλλά κρίσιμο σήμα
Το αποτέλεσμα είναι λεπτό αλλά μετρήσιμο: καταγράφηκε μείωση μικρότερη του 1% στην ποσότητα σωματιδίων πίσω από το κουάρκ. Παρά το μικρό μέγεθος του φαινομένου, η παρατήρηση αυτή συνάδει με τη μεταφορά ενέργειας και ορμής από το κουάρκ στο πλάσμα, δημιουργώντας μια «αραιωμένη» περιοχή στο ίχνος του.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, πρόκειται για την πρώτη καθαρή ανίχνευση αυτού του «βουλιάγματος» σε γεγονότα που φέρουν σήμανση από μποζόνιο Ζ. Το σχήμα και το βάθος της μεταβολής παρέχουν πληροφορίες για τις ιδιότητες του πλάσματος. Αν το μέσο ρέει εύκολα, η «υποχώρηση» εξομαλύνεται γρήγορα· αν είναι πιο «ιξώδες», το ίχνος παραμένει περισσότερο.
Ματιά στα πρώτα μικροδευτερόλεπτα
Το πρώιμο Σύμπαν, αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, πιστεύεται ότι βρισκόταν σε κατάσταση πλάσματος κουάρκ-γλουονίων πριν ψυχθεί και σχηματιστούν πρωτόνια, νετρόνια και τελικά άτομα. Η συγκεκριμένη εποχή δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα με τηλεσκόπια, καθώς το Σύμπαν τότε ήταν αδιαφανές.
Οι συγκρούσεις βαρέων ιόντων στον LHC παρέχουν έτσι ένα πειραματικό «παράθυρο» σε εκείνη την περίοδο. Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι η ανίχνευση του ίχνους αποτελεί μόνο την αρχή και ότι με τη συλλογή περισσότερων δεδομένων θα είναι δυνατή ακριβέστερη μελέτη των ιδιοτήτων του πλάσματος στο μέλλον.