CERN Potwierdza: Plazma Kwarkowo-Gluonowa Zachowuje się Jak Spójny Płyn w Kolizjach Jonów Ołowiu

Fizycy z Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) sfinalizowali kluczowe badania, dostarczając dowodów na to, że pierwotna materia, znana jako plazma kwarkowo-gluonowa (QGP), funkcjonuje jako wysoce spójny płyn. Odkrycie to, uzyskane z danych Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) w pobliżu Genewy, rozstrzyga wieloletni spór dotyczący natury stanu materii, który istniał w pierwszych mikrosekundach po Wielkim Wybuchu. Eksperymenty polegały na zderzaniu ciężkich jonów ołowiu z prędkościami bliskimi prędkości światła, co pozwoliło odtworzyć ekstremalne warunki wczesnego Wszechświata przy temperaturach rzędu bilionów stopni Celsjusza.

Istotą ustaleń jest obserwacja mierzalnych śladów pozostawianych przez szybko poruszające się kwarki, gdy te przenikają przez QGP, co jest analogiczne do fal tworzących się za łodzią na wodzie. Profesor Yen-Jie Lee z Massachusetts Institute of Technology (MIT), kierujący zespołem badawczym, skonkludował, że plazma jest na tyle gęsta, iż jest w stanie spowolnić kwark, wywołując przy tym rozbryzgi i wiry charakterystyczne dla cieczy. Zjawisko to stanowi empiryczną weryfikację modeli teoretycznych, sugerujących, że QGP jest najgorętszym płynem, jaki kiedykolwiek istniał, charakteryzującym się niemal idealną płynnością i niskim tarciem wewnętrznym.

Metodologia analityczna wymagała przeanalizowania około 13 miliardów kolizji, z których wybrano około 2000 zdarzeń. Zespół, pracujący w ramach kolaboracji CMS w CERN, skupił się na rzadkich sygnaturach, w których oprócz kwarku wysokiej energii produkowany był również neutralny bozon Z. Bozon Z, oddziałujący minimalnie z QGP, posłużył jako precyzyjny znacznik, pozwalający określić wektor początkowy lotu kwarku bez zanieczyszczania obrazu medium, co było problemem w poprzednich analizach par kwark-antykwark.

Potwierdzenie płynnego charakteru QGP ma głębokie implikacje dla kosmologii, ponieważ ten stan materii dominował we Wszechświecie na mniej niż dwadzieścia mikrosekund po Wielkim Wybuchu, zanim kwarki i gluony ostygły, tworząc protony i neutrony. Obserwacja zbiorowej reakcji medium na przechodzącą cząstkę pozwala fizykom badać właściwości transportowe plazmy, takie jak lepkość i dyfuzja, które kształtowały redystrybucję energii w procesie przechodzenia Wszechświata w fazę hadronową. Wcześniejsze odkrycia z Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) w USA wskazywały, że QGP zachowuje się bardziej jak płyn o małej lepkości niż jak gaz.

Profesor Lee, pionier w badaniach zjawiska dżetów w kolizjach ciężkich jonów, wykorzystał detektor CMS, aby wykazać, że energia tracona przez wysokoenergetyczne cząstki przechodzące przez QGP jest przekształcana w cząstki o niższej energii emitowane pod dużymi kątami. Nowa metoda z bozonem Z oferuje bardziej systematyczną ścieżkę do precyzyjnego mapowania tego hydrodynamicznego śladu w plazmie. Przyszłe prace naukowe, w tym te prezentowane podczas 22. Międzynarodowej Konferencji na temat Obfitości Stranessu w Plazmie Kwarkowej (SQM2026) w Los Angeles pod koniec marca 2026 roku, mają na celu dalsze zgłębianie właściwości QGP. To potwierdzenie, że Wszechświat rozpoczął swoje istnienie jako płyn, stanowi znaczący krok w kierunku pełnego zrozumienia ewolucji kosmicznej.