„Ape neexplorate”: acceleratorul de particule Large Hadron Collider (LHC) începe să ciocnească oxigenul pentru prima dată

Acceleratorul de particule Large Hadron Collider (LHC), faimos pentru descoperirile sale majore, cum ar fi bosonul Higgs, își continuă explorarea misterelor materiei, aprofundând un teritoriu încă puțin explorat: coliziunile ionilor de oxigen. Această nouă etapă experimentală își propune să recreeze, la scară microscopică, condițiile extreme care au prevalat în universul nou-născut, la câteva milionimi de secundă după Big Bang.

Deși LHC este cel mai bine cunoscut pentru coliziunile sale de protoni – care au ajutat la identificarea câmpului Higgs, sursa masei particulelor elementare – este, de asemenea, un laborator formidabil pentru ciocnirea ionilor grei, adică a nucleelor atomice mai masive, încărcate electric. Prin declanșarea acestor coliziuni la energii colosale, cercetătorii pot crea o stare specială a materiei numită plasmă quark-gluon (QGP).

Această plasmă este un fel de „supă” ultra-fierbinte în care quark-urile, elementele fundamentale ale materiei, și gluonii care le leagă în protoni și neutroni, nu mai sunt confinați în particule individuale. Această fază a materiei nu mai există în universul nostru actual, dar a dominat chiar în primele momente de după Big Bang, înainte ca materia să se structureze în particule mai familiare. De ce ioni de oxigen? Până acum, experimentele LHC s-au concentrat în principal pe coliziunile ionilor de plumb, nuclee foarte grele. Aceste coliziuni produc o plasmă quark-gluon densă și voluminoasă, ideală pentru studierea proprietăților sale în condiții extreme. În același timp, coliziunile proton-proton oferă date despre materie în medii „mai reci” și mai puțin dense. Dar ce se întâmplă cu cazurile intermediare? Ce se întâmplă într-un sistem de dimensiuni medii, nici la fel de masiv ca plumbul, nici la fel de ușor ca un proton? Pentru a răspunde la această întrebare, LHC a lansat noul său program de coliziuni ale ionilor de oxigen, precum și ale ionilor de neon, care au dimensiuni intermediare. Atunci când aceste nuclee de oxigen sau neon se ciocnesc, produc o plasmă quark-gluon mai mică decât cea a plumbului, dar mai mare decât cea produsă de un proton, umplând o lacună crucială în înțelegerea noastră.

Principalul interes științific este de a înțelege cum evoluează proprietățile plasmei quark-gluon în funcție de dimensiunea sistemului produs în timpul coliziunilor. De exemplu, în timpul coliziunilor ionilor de plumb, cercetătorii au observat un fenomen numit „stingere prin jet”, în care particulele energetice pierd o parte semnificativă din energia lor pe măsură ce trec prin plasmă. Acest fenomen nu a fost detectat în coliziunile proton-plumb, unde plasma este mai mică. Prin urmare, coliziunile oxigen-oxigen oferă o oportunitate unică: ar putea dezvălui dimensiunea sistemului la care începe de fapt stingerea prin jet, un indiciu valoros despre natura și dinamica plasmei. Înțelegerea acestui prag este esențială pentru corelarea rezultatelor coliziunilor ușoare și grele și, prin urmare, pentru o mai bună înțelegere a comportamentului materiei în medii extreme.

Aceste experimente nu se limitează la studierea plasmei quark-gluon. De asemenea, ne permit să aflăm mai multe despre însăși structura nucleelor de oxigen și neon. De exemplu, forma geometrică a nucleului de neon, care este comparabilă cu un popice, ar putea influența formarea plasmei și mișcarea colectivă a particulelor care ies din ea. Acest „flux colectiv”, observat în coliziunile grele, corespunde unei mișcări coordonate a particulelor emise și reflectă dinamica internă a plasmei. Prin analizarea acestor efecte în sistemele intermediare, cercetătorii speră să înțeleagă mai bine legăturile dintre geometria nucleară, dinamica plasmei și interacțiunile fundamentale dintre particule. Coliziunile ionilor de oxigen prezintă, de asemenea, noi provocări. Fenomenul cunoscut sub numele de „efect de transmutație” poate crea particule secundare care au același raport sarcină-masă ca ionii de oxigen, complicând curățenia și analiza fasciculelor de la LHC. Prin urmare, fizicienii vor trebui să gestioneze această poluare a fasciculului pentru a obține date utilizabile.

Această fază experimentală, care se desfășoară pe parcursul a zece zile la începutul lunii iulie, este o premieră mondială. După cum subliniază Ivan Amos Cali, cercetător implicat în experiment, deși experimentul este limitat, nimeni nu a observat vreodată direct acest tip de coliziune. Rezultatele așteptate vor deschide noi căi pentru testarea și rafinarea teoriilor actuale despre interacțiunea puternică, forța care leagă quarcii împreună. În cele din urmă, aceste experimente cu ioni de oxigen fac parte dintr-un efort mai amplu de a înțelege natura profundă a materiei și condițiile extreme care au modelat universul acum 13,8 miliarde de ani. Prin conectarea observațiilor coliziunilor proton-proton, ionilor grei și acum ionilor intermediari, fizicienii speră să construiască o imagine mai completă și mai precisă a plasmei quarc-gluon și a legilor fundamentale care guvernează materia.

LHC, datorită capacității sale de a explora o gamă diversă de coliziuni, rămâne astfel un instrument de neînlocuit pentru sondarea invizibilului, unde materia își dezvăluie cele mai intime secrete.

Știință&Tehnică

Revista “Ştiinţă şi Tehnică“, cea mai cunoscută şi longevivă publicaţie de popularizare a ştiintelor din România