În timpul primelor microsecunde de după Big Bang, Universul încă nu avea stele, galaxii sau chiar atomi. Era scăldat într-o supă infernală de quarci și gluoni, la temperaturi atât de extreme încât materia așa cum o știm nu putea exista. Pentru prima dată, cercetătorii au reușit să modeleze cu precizie această stare a materiei primordiale, dezvăluind o parte fundamentală – și mult timp evazivă – a istoriei cosmosului.
Să ne întoarcem în urmă cu 13,8 miliarde de ani. Imediat după Big Bang, Universul nu era nimic mai mult decât o bulă de energie supraîncălzită. Particulele elementare nu erau încă legate între ele: quarcii (componentele protonilor și neutronilor) și gluonii („lipiciul” quarcilor) formau o plasmă densă, fierbinte, numită plasmă quark-gluon. Această plasmă este considerată cea mai fierbinte stare a materiei care a existat vreodată în univers. A durat doar câteva milionimi de secundă înainte de a se „solidifica” pentru a da naștere primilor protoni și neutroni. Dar acest scurt episod a lăsat o amprentă decisivă asupra structurării universului.
Pentru a înțelege comportamentul acestei plasme, fizicienii trebuie să modeleze forța nucleară tare, forța care leagă quarcii între ei. Aici lucrurile se complică: această forță este extrem de intensă și nu poate fi ușor îmblânzită de ecuațiile clasice. Instrumentele matematice utilizate în mod obișnuit în fizica cuantică, cum ar fi teoria perturbațiilor, eșuează complet aici. De ce? Deoarece în condiții de plasmă quark-gluon, forța tare nu slăbește niciodată. Rămâne la fel de puternică la distanțe scurte ca și la distanțe lungi, făcând orice încercare de calcule analitice extrem de instabilă. Este ca și cum ai încerca să prezici prognoza meteo pentru o tornadă cu o busolă și o eșarfă: complet nepotrivit.
Pentru a ocoli această problemă, o echipă de cercetători italieni a folosit o tehnică avansată de simulare numerică: cromodinamica cuantică lattică (sau QCD lattică). Ideea este de a reprezenta spațiu-timpul ca o grilă cvadridimensională, pe care interacțiunile particulelor sunt calculate punct cu punct.
Dar această echipă a mers mai departe. A combinat QCD lattică cu Monte Carlo, un algoritm probabilistic care folosește eșantionarea aleatorie pentru a modela sisteme complexe. Acest duo de abordări le-a permis oamenilor de știință să exploreze un univers simulat umplut cu trei tipuri de quarci foarte ușori, în condiții apropiate de cele ale universului timpuriu. Au simulat temperaturi de până la 165 GeV (peste 2 milioane de miliarde de grade Kelvin), aproape de tranziția electroslabă, momentul în care particulele elementare își dobândesc masa.
Rezultatul acestei abordări este cea mai bună ecuație de stare obținută vreodată pentru plasma quark-gluon. El a fost prezentat în Physical Review Letters .Această ecuație leagă mărimile termodinamice fundamentale: temperatura, presiunea, densitatea energiei și entropia acestei plasme. Aceasta face posibilă reconstrucția dinamicii exacte a plasmei chiar în primele microsecunde de după Big Bang, când primele structuri ale materiei au început să apară. Și surpriza a fost imediată: chiar și la aceste temperaturi extreme, quark-ii și gluonii nu erau liberi. Interacțiunea puternică a rămas dominantă, mult mai devreme decât se credea anterior. Ideea că aceste particule s-au comportat ca un gaz liber, nelegat, la temperaturi ridicate pare acum a fi eronată Aceste rezultate au implicații profunde. Prin rafinarea înțelegerii noastre asupra plasmei quark-gluon, cercetătorii pot: modela mai bine nașterea materiei, revizui scenariile de formare a particulelor și pot clarifica evoluția forțelor fundamentale în primele secunde ale universului. Studiul confirmă, de asemenea, potențialul metodelor de calcul de înaltă performanță, cum ar fi QCD-ul cu rețele, combinat cu tehnici statistice. Acestea sunt instrumentele care ne vor ajuta să dezlegăm alte mistere ale fizicii fundamentale în viitor, cum ar fi unificarea forțelor sau primele momente după inflația cosmică.
Ce urmează? Echipa italiană subliniază că rezultatele actuale sunt doar începutul. Cu mai multe resurse de calcul, vor putea explora configurații mai complexe, vor integra quarci mai puternici și chiar să simuleze universuri în expansiune. Dar un lucru este sigur: înțelegerea primelor microsecunde ale universului nu este doar un exercițiu teoretic. Înseamnă să ne întoarcem la rădăcinile a tot ceea ce există – inclusiv la noi.
Poll: Care este cea mai mare realizare a cercetătorilor în simularea plasma quark-gluon?
Revista “Ştiinţă şi Tehnică“, cea mai cunoscută şi longevivă publicaţie de popularizare a ştiintelor din România
Leave a Reply