Noile rezultate obținute de experimentul STAR de la acceleratorul RHIC în Statele Unite ne ajută să înțelegem mai bine cum plasma de quarci și gluoni s-a transformat în particulele pe care le vedem astăzi în Univers: protoni și neutroni; o tranziție de fază. Unul dintre semnalele acestei tranziții este reprezentat de caracteristicile nucleelor ușoare, care iau naștere în coliziunile dintre nucleele de aur la RHIC.

Modelul Standard, protonii și neutronii

Modelul Standard al fizicii particulelor elementare ne spune din ce este alcătuită materia și cum interacționează între ele particulele elementare. Din acest model fac parte quarcii – care formează protonii și neutronii nucleelor atomice. Există șase tipuri de quarci, dintre care (cel puțin din câte știm în prezent) doar două tipuri formează materia stabilă: quarcii „up” și „down”. Astfel, protonii sunt alcătuiți din doi quarci „up” și unul „down” iar neutronii din doi quarci „down” și unul „up”. Quarcii nu se găsesc – cel puțin la ora actuală – liberi – sunt „prizonieri” în particule compuse din quarci, precum protonii și neutroni, interacționând între ei prin intermediul așa-numitei forțe nucleare puternice. Echivalentul fotonilor, particulele care mediază interacțiunea electromagnetică, pentru interacțiunea nucleară puternică sunt gluonii, care au caracteristici foarte diferite față de fotoni. Au existat însă quarci liberi vreodată în Univers?

Plasma de quarci și gluoni

Universul nostru, în cadrul teoriei Big Bang, a luat naștere acum circa 14 miliarde de ani. La început, era un amestec de particule elementare la temperaturi extreme. Acest amestec de particule, un fel de supă extrem de caldă, se numește plasma de quarci și gluoni. În această fază, quarcii și gluonii erau liberi – adică nu erau „prizonieri” în protoni și neutroni (simplificând). Pe măsură ce temperatura scădea, în urma expansiunii Universului, quarcii și gluonii formau protoni și neutroni, nemaifiind liberi. Transformarea din plasma de quarci de gluoni în particule precum protonii și neutronii reprezintă o tranziție de fază, ale cărei caracteristici ne ajută să înțelegem mai bine istoria Universului.

Cum putem studia plasma de quarci și gluoni?

Pentru a studia plasma de quarci și gluoni și transformarea acesteia în particule, este necesar să recreem condițiile din Univers imediat după Big Bang: adică temperaturile extrem de înalte de atunci. Acest lucru este posibil la acceleratoarele de particule în care fascicule de ioni (precum cei de aur) se ciocnesc la energii foarte mari. Se generează local plasma de quarci și gluoni care poate fi studiată cu ajutorul detectoarelor de particule. Că să înțelegem însă mai bine caracteristicile acesteia este nevoie să avem semnale care dau indicații despre tranziția de fază.

Experimentul STAR la RHIC și nucleele de tritiu

Experimentul STAR de la acceleratorul RHIC (Relativistin HeavyIon Collider) de la Brookhaven National Laboratory în SUA studiază plasma de quarci și gluoni de mulți ani de zile. Într-un articol recent publicat în Phys. Rev. Letters, cercetătorii s-au concentrat asupra studiului tranziției de faze de la plasma de quarci și gluoni în nucleoni, semnal reprezentat de producerea de nuclee ușoare. În interiorul plasmei, iau naștere protoni și neutroni care pot să formeze la rândul lor nuclee. Cu cât protonii și neutronii, care se formează, sunt mai aproape, cu atât formarea de nuclee este mai mare. La punctul critic, există fluctuații importante în formarea de nuclee. Cercetătorii vor să studieze tocmai acest punct critic. Au măsurat deci producerea de nuclee ușoare, precum tritiul (un nucleu format din doi neutroni și un proton). Au obținut semnale care indică o fluctuație a producerii tritiului la energii cuprinse între 19.6 GeV și 27 GeV (GeV este o unitate de energie folosită în fizica particulelor elementare; în această unitate masa protonului este de aproape 1 GeV). Să fie acolo punctul critic?

Planuri de viitor

Precizia măsurătorilor efectuate de către STAR în studiul plasmei de quarci și gluoni nu este încă suficient de bună pentru a fi siguri de rezultat. Tocmai din acest motiv experimentul continuă achiziția de date la energii diverse, în cadrul celei de-a doua faze BES II (Beam Energy Scan II), cu ciocniri de nuclee de aur până la energii relativ joase (3 GeV). Analiza noilor date se speră că va permite găsirea acestui punct critic care să ne ajute să înțelegem cum în primele clipe ale Universului, imediat după Big Bang, în urma unei tranziții de faze, au luat naștere protonii și neutronii care formează materia actuală a Universului, inclusiv noi înșine.

Credit imagine: STAR, BNL

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe