Geneven Cernissä ALICE-yhteistyöryhmä ja Kööpenhaminan yliopiston Niels Bohr -instituutti raportoivat Physical Review Letters -julkaisussa, että LHC:n törmäytyksissä syntyi kvarkki‑gluoniplasman kaltaista ainetta myös huomattavasti pienempien atomiytimien, happi‑16:n ja neon‑20:n, kohdalla. Havainnot ovat merkittäviä, koska kvarkki‑gluoniplasmaa on yleensä tuotettu raskaampien, kuten lyijyytimien, törmäyksissä, ja nyt osoitetaan, että kollektiivinen, varhaista maailmankaikkeutta muistuttava tila voi muodostua pienemmässä järjestelmässä.

Törmäysten tuottamaa plasmaa ei voida nähdä suoraan, mutta sen läsnäolon ja ominaisuudet voidaan päätellä ulos singahtavien hiukkasten liikemalleista. Tutkimus osoittaa myös, että alkuperäisen atomiytimen geometria heijastuu syntyneen plasmadatan virtauskuvioihin: neon‑20:n tapauksessa hiukkasten jakauma muistutti keilamaisuutta, kun taas happi‑16 tuotti pyöreämpää jakaumaa.

Mitkä havainnot tehtiin ja miten ne tulkitaan

ALICE-kokeessa törmäytettyjen happi‑16- ja neon‑20‑ytimien kohdalla havaittiin pieniä, lyhytaikaisia pisaroita kvarkki‑gluoniplasmaa. Kyseessä on äärimmäisen kuuma ja tiheä aineen tila, jossa protonien ja neutronien rakennusaineet — kvarkit ja gluonit — liikkuvat vapaasti. Tällainen olomuoto uskotaan vallinneen maailmankaikkeudessa sen ensimmäisen miljoonasosan aikana.

Neon‑20‑tapausten avulla tutkijat pystyivät havaitsemaan, että ytimen muoto vaikuttaa plasmavirtausten anistropiaan: pitkänomainen ydinkomponentti jätti mitattavan jäännöksen hiukkasten liikkeisiin. Tämä antaa tutkijoille työkalun, jolla voidaan päätellä atomiydinten sisäistä järjestäytymistä ja vahvan vuorovaikutuksen ominaisuuksia myös korkeimmilla energioilla, toisin sanoen lähestymällä ytimien rakennetta päinvastaisesta näkökulmasta kuin perinteisessä ydinfysiikassa.

Miksi tulos on merkittävä kosmologialle ja ydinfysiikalle

Tulos siirtää rajaa sille, kuinka pienen törmäysjärjestelmän kohdalla kvarkki‑gluoniplasman kaltainen kollektiivinen tila voi muodostua. Se avaa mahdollisuuden tutkia varhaisen universumin olosuhteita eri kokoluokissa ja tarjoaa vertailevan tavan testata teorioita aineen käyttäytymisestä äärisählöisissä olosuhteissa. Kosmologisesti tämä on kiinnostavaa, koska kvarkki‑gluoniplasma liittyy suoraan maailmankaikkeuden alkuvaiheiden lämpö‑ ja tiheysolosuhteisiin.

Samalla menetelmä tarjoaa uuden lähestymistavan atomiydinten rakenteen tutkimukseen: sen sijaan, että ydintä tutkittaisiin vain matalammilla energioilla ja sen värähtely- tai spin‑ominaisuuksilla, ydinten muotoa voidaan päätellä niiden murskaustuotteiden virtauspiirteistä korkeissa energioissa. Tämä voi tuottaa lisätietoa vahvan vuorovaikutuksen dynamiikasta ja siitä, miten kvarkit ja gluonit järjestäytyvät muodostamaan hadroneja kuten protoneita ja neutroneita.

Tutkimusryhmän ilmoituksen mukaan seuraava askel on kokeilla vielä kevyempiä ytimiä, esimerkiksi helium‑4:ää, selvittääkseen, kuinka pieni järjestelmä voi olla ja silti tuottaa kollektiivisen plasmantapaisen tilan. Näin rajaa kvarkki‑gluoniplasman syntymiselle voidaan määrittää tarkemmin.

ALICE:n havainnot tarjoavat tärkeän lisäpalikan pyrkimyksissä ymmärtää aineen perusluonnetta ja maailmankaikkeuden ensimmäisiä hetkiä. Lukijalle, joka pohtii ihmisyyden ja universumin alkuperää, tulos tarjoaa konkreettisen esimerkin siitä, miten laboratoriossa voidaan rekonstruoida ja mitata olosuhteita, jotka vallitsivat heti alkuräjähdyksen jälkeisinä hetkinä.