Gullkrasj skapte kvarksuppe

En krasj mellom to atomer skapte en temperatur på 4 billioner grader – og kan potensielt forklare hva det er som holder universet sammen.

Publisert
"Temperaturen på solen er bare peanøtter i forhold til det de målte på Long Island. (Foto: NASA)"
"Temperaturen på solen er bare peanøtter i forhold til det de målte på Long Island. (Foto: NASA)"

Partikler og fysikk

Et molekyl er satt sammen av flere atomer.

Et atom består av protoner, nøytroner og elektroner.

Protoner og nøytroner har fellesbetegnelsen hadroner, og består av de mindre partiklene kvarker og gluoner.

Kvarkene i et hadron er bundet sammen av fargekraften, en sterk vekselvirkning der partikler med forskjellig spinn binder hverandre sammen.

Læren om kvarker og fargekraften kalles kvantkromodynamikk (QCD).

Frem til CERN er oppe og går, er det Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) på Long Island i USA som er den kraftigste partikkelakseleratoren i verden.

Den posisjonen ble videre befestet tidligere denne måneden, da fysikerne ved RHIC presenterte hva som skjedde da de krasjet gullpartikler i 2005.

I en kollisjon mellom to ioner oppstod det en enormt høy temperatur.

Den var på 4 billioner – altså 4000 milliarder – grader celcius. Det er 250 000 ganger så varmt som i solens kjerne.

Men temperaturen i seg selv er ikke målet, hvor stilig den enn er. Målet er å finne ut hva det var som skapte denne temperaturen.

Temperaturen viser kvarksuppe

Teorien er at temperaturen de nå har målt, ble sendt ut fra en såkalt kvark-gluon-plasma, som oppstod da atomkjernene kolliderte med hverandre.

- Se for deg at to biler krasjer så hardt at de slutter å være biler, og bare blir en ødelagt klump. Det er det de forsøker å gjøre i slike partikkelkollisjoner: å ødelegge kjernene slik at de blir til noe annet, forklarer Bjørn Samset, partikkelfysiker ved Universitet i Oslo.

I en atomkjerne finner man nøytroner og protoner, som igjen er satt sammen av kvarker og gluoner. Om kollisjonene gjennomføres med tilstrekkelig kraft, vil nøytronene og protonene splittes, og kvarkene og gluonene vil for en stakket stund flyte rundt på egenhånd.

Det er denne tilstanden som kalles kvark-gluon-plasmaen. 

"Det var i denne maskinen, kalt PHENIX, at gullionene krasjet i 2005. (Foto: Brookhaven National Laboratory)"
"Det var i denne maskinen, kalt PHENIX, at gullionene krasjet i 2005. (Foto: Brookhaven National Laboratory)"

Forskerne har lenge hatt en teori om at plasmaet ville oppstå i en slik situasjon, men det har ikke vært lite lett å vise at man faktisk har klart å skape det. Denne temperaturmålingen er en viktig indikator på at de nå faktisk har gjort det:

- Vi vet at ved temperaturer over en viss grense, finnes det ikke atomkjerner lenger – da har de gått over til å bli noe annet. Og temperaturen som forskerne ved RHIC rapporterer er langt over den grensen, forteller Samset.

- De regner dette som en klar indikasjon på at de har klart å skape denne kvarksuppen.

Enda nærmere Big Bang

Rett etter Big Bang, da universet var veldig lite og veldig tett, fantes materie kun i et slikt plasma. Det var senere, da universet hadde fått utvidet seg litt, at kvarkene og gluonene kom sammen og laget atomkjerner – som ble til stjerner og planeter.

Det å skape kvark-gluon-plasma i eksperimenter kan derfor potensielt skyve vår kunnskap om universets opprinnelse enda noen mikrosekunder nærmere starten.

- Vi vet ganske mye om hva som skjedde etter at universet hadde utvidet seg nok til at det ble formet atomkjerner, men ikke så mye om hvordan det var før det – altså da kvarkene og gluonene fløy fritt omkring, forteller Samset.

"Bjørn Samset. (Foto: UiO)"
"Bjørn Samset. (Foto: UiO)"

– Med kunnskap om den plasmaen kan vi tolke andre ting vi vet bedre.

Gluonmalstrøm kan forklare vektproblem

For eksempel kan disse eksperimentene være et skritt på veien til å forstå hvorfor universet har den massen det har.

Forskerne forstår nemlig ikke hvorfor atomkjerner er så tunge (relativt sett) som de er. Summen av vekten til kvarkene og gluonene i kjernen blir nemlig ikke i nærheten av massen til atomkjernen.

Det finnes altså noe “ekstra” der, som skaper masse.

Tanken er at det er kjernekraften – altså kraften som virker mellom partiklene i atomkjernene – som skaper denne massen.

- Hva denne kraften er, har vi egentlig ingen god forståelse for, forteller Samset.

- En teori er at kraften skapes av at gluonene spinner på en helt spesiell måte, og lager det vi på norsk kan kalle en “gluonmalstrøm”. Dette er ganske abstrakte greier, men tanken er at denne malstrømmen skaper kraften, og at effekten av denne kan måles i eksperimentene ved RHIC.

Disse forsøkene beviser ikke teorien – til det skal det svært mye testing og eksperimentering til – men målingene av kvark-gluon-plasmaet kan være en indikasjon på at målinger av gluonmalstrømmen kan være riktig vei å gå for å forstå kjernekraften.

Resultatene fra RHIC vil bli presentert i tidsskriftet Physical Review Letters.

Her er RHICs egen video om eksperimentene:

Les mer:

Pressemeldingen fra RHIC