Naukowcy pracujący w CERN (ośrodku naukowo-badawczym położonym na przedmieściach Genewy) odtworzyli w laboratorium warunki, jakie panowały tuż po Wielkim Wybuchu. W eksperymencie Compact Muon Solenoid działającym w Wielkim Zderzaczu Hadronów udało się zaobserwować delikatny ślad pozostawiony przez kwark przelatujący przez ekstremalnie gorącą materię.
Wyniki opublikowano 25 grudnia 2025 roku w czasopiśmie Physics Letters B. To pierwszy tak wyraźny dowód, że cząstka może „odcisnąć się” w plazmie kwarkowo-gluonowej – stanie materii, który wypełniał Wszechświat w pierwszych mikrosekundach jego istnienia.
Kosmiczna „zupa” sprzed narodzin atomów
Kiedy w akceleratorze zderza się ciężkie jądra atomowe z prędkością bliską prędkości światła, dzieje się coś niezwykłego. Jądra przestają istnieć w znanej nam formie. Rozpadają się na swoje podstawowe składniki – kwarki i gluony – które tworzą coś w rodzaju niezwykle mocno rozgrzanego płynu. Ten stan nazywa się plazmą kwarkowo-gluonową.
– W tym ekstremalnym środowisku gęstość i temperatura są tak wysokie, że nie da się zachować regularnej struktury atomowej – wyjaśnił You Chen z Uniwersytetu Vanderbilt, członek zespołu CMS. – Zamiast tego wszystkie jądra nachodzą na siebie i tworzą tak zwaną plazmę kwarkowo-gluonową, w której kwarki i gluony mogą przemieszczać się poza granice jąder. Zachowują się bardziej jak ciecz – dodał naukowiec.
Ta „kropla” jest niewiarygodnie mała – dużo mniejsza od atomu – i znika niemal natychmiast. Ale w tej krótkiej chwili naukowcy mogą podejrzeć, jak zachowywała się materia, zanim powstały protony, neutrony i całe znane nam dziś atomy.
Ślad jak za motorówką
Fizycy od dawna podejrzewali, że jeśli wysokoenergetyczny kwark przeleci przez taką plazmę, powinien zostawić za sobą coś w rodzaju śladu – podobnie jak łódź zostawia falę i lekkie obniżenie poziomu wody za rufą.
Problem w tym, że w eksperymencie wszystko dzieje się w mikroskali i w ułamku sekundy. Oddzielenie „łodzi” (kwarka) od „wody” (plazmy) jest niezwykle trudne.
Bozon Z pomógł zobaczyć niewidoczne
Tu z pomocą przyszedł bozon Z – cząstka odpowiedzialna za tak zwane oddziaływanie słabe, jedno z czterech podstawowych oddziaływań w przyrodzie. W niektórych zderzeniach kwark i bozon Z powstają jednocześnie i odlatują w przeciwnych kierunkach.
– Bozony Z odpowiadają za oddziaływanie słabe, a z punktu widzenia plazmy, Z po prostu ucieka i znika z obrazu – powiedział Chen.
Bozon Z praktycznie nie wchodzi w reakcje z plazmą, więc stanowi dla naukowców czysty punkt odniesienia. Dzięki niemu można dokładnie ustalić, jak poruszał się kwark i sprawdzić, czy za nim rzeczywiście powstało przewidywane „zagłębienie”.
I właśnie to udało się zmierzyć. – Badanie wyglądu tego zagłębienia… daje nam informacje o samej plazmie –wyjaśnił naukowiec.
Dlaczego to takie ważne?
Pierwszych momentów po Wielkim Wybuchu nie da się zobaczyć teleskopem. Wszechświat był wtedy nieprzezroczysty – światło nie mogło się swobodnie rozchodzić.
Zderzenia ciężkich jonów w akceleratorze dają więc „drobny wgląd w to, jak zachowywał się wszechświat w tej epoce”.
To dopiero początek. Naukowcy zapowiadają, że wraz z większą ilością danych będą w stanie jeszcze dokładniej zbadać właściwości tej pierwotnej „zupy”. A to oznacza, że z każdym kolejnym eksperymentem zbliżamy się do odpowiedzi na pytanie, jak naprawdę wyglądały pierwsze chwile... wszystkiego.
Czytaj też:
Cicha śmierć gwiazdy. Astronomowie przeoczyli narodziny czarnej dziury?Czytaj też:
Wzięli pod lupę polski meteoryt. „Unikatowe odkrycie” naukowców ze Śląska