Fyysikot loivat kolme eri muotoa kvarki-gluoni-plasmablasteja käyttämällä relativistista Heavy Ion Collider -laitetta Brookhavenin kansallisessa laboratoriossa. Tämä plasma on eksoottinen tyyppinen aine, joka täytti maailmankaikkeuden ensimmäisissä millisekunnissa suuren iskun jälkeen.
(Kuva: © Javier Orjuela Koop)
Ensimmäisen jaetun sekunnin ajan suuren räjähdyksen jälkeen maailmankaikkeus ei ollut muuta kuin äärimmäisen kuuma "keitto" kvarkeista ja gluoneista - subatomisista hiukkasista, joista tulisi protonien ja neutronien rakennuspalikoita. Nyt, 13,8 miljardia vuotta myöhemmin, tutkijat ovat luoneet tämän alkuperäisen keiton laboratoriossa.
Fyysikot tekivät Relativistic Heavy Ion Collider -laitetta Brookhavenin kansallisessa laboratoriossa Uptonissa, New Yorkissa, pieniä tippoja tästä kvarki-gluoniplasmasta puristamalla yhteen protonien ja neutronien yhdistelmät. Näiden onnettomuuksien aikana protoneja ja neutroneja muodostavat kvarkit ja gluonit rikkoivat vapaasti ja käyttäytyivät nesteenä, tutkijat havaitsivat.
Riippuen siitä, minkä hiukkasyhdistelmän tutkijat löysivät yhdessä, pienet, nestemäiset plasmapallot muodostivat yhden kolmesta erillisestä geometrisesta muodosta: ympyrät, ellipsit tai kolmiot. [Kuvat: Peering Back to Big Bang & Early Universe]
"Koetuloksemme on tuonut meidät paljon lähemmäksi vastausta kysymykseen siitä, mikä on pienin määrä aikaisen maailmankaikkeuden ainetta, mitä voi olla", tutkimukseen osallistunut Colorado Boulderin yliopiston fyysikko Jamie Nagle sanoi lausunnossaan.
Quark-gluoniplasmat luotiin ensimmäisen kerran Brookhavenissa vuonna 2000, kun tutkijat murskasivat yhdessä kulta-atomien ytimet. Sitten Geneven suuren hadronikopterin tutkijat uhmasivat odotuksia, kun he loivat plasman murskaamalla kaksi protonia yhdessä. "Se oli yllättävää, koska suurin osa tutkijoista oletti, että yksinäiset protonit eivät pysty toimittamaan tarpeeksi energiaa tehdäkseen mitään, mikä voisi virtaa nesteen tavoin", sanoo UC Boulderin virkamiehet lausunnossa.
Nagle ja hänen kollegansa päättivät testata tämän eksoottisen tilan nesteominaisuudet luomalla siitä pieniä palloja. Jos plasma todella käyttäytyy kuin neste, pienten pallojen pitäisi pystyä pitämään muodonsa, tutkijat ennustivat.
"Kuvittele, että sinulla on kaksi tippaa, jotka laajenevat tyhjiöön", Nagle sanoi. "Jos kaksi tippaa ovat todella lähellä toisiaan, niin kun ne laajenevat, ne törmäävät toisiinsa ja työntyvät toisiaan vastaan, ja juuri se luo tämän kuvion."
"Toisin sanoen, jos heität kaksi kiveä lampiin lähelle toisiaan, noista iskuista virtaa toisiinsa, muodostaen ellipsiä muistuttavan kuvion", UC Boulderin virkamiehet kertoivat. "Sama voi olla totta, jos hajotat protoni-neutroniparin, jota kutsutaan deuteroniksi, jotain suurempaa ... Samoin protoni-protoni-neutronitrio, joka tunnetaan myös nimellä helium-3-atomi, saattaa laajentua osaksi jotain samanlaista kolmioon ".
Ramauttamalla nämä erilaiset protonien ja neutronien yhdistelmät kultaatomeiksi lähellä valon nopeutta, tutkijat pystyivät tekemään mitä he toivoivat: luoda elliptiset ja kolmionmuotoiset kvarki-gluoniplasmien pisteet. Kun tutkijat murskasivat yhden protonin kulta-atomiin, seurauksena oli pyöreä alkukanso.
Nämä lyhytikäiset kvarki-gluoniplasman pisarat saavuttivat biljoonien celsiusasteiden lämpötiloja. Tutkijoiden mielestä tämäntyyppisten aineiden tutkiminen "voisi auttaa teoreetikkoja ymmärtämään paremmin, kuinka maailmankaikkeuden alkuperäinen kvarki-gluoniplasma jäähtyi millisekuntien ajan synnyttäen ensimmäiset olemassa olevat atomit", UC Boulderin virkamiehet kertoivat.
Tämän tutkimuksen tulokset julkaistiin 10. joulukuuta lehdessä Nature Physics.
