Teoria lui Einstein prevede existenţa unei stări atipice a materiei, ce ar putea fi descoperită experimental în LHC

Ne-am obişnuit să primim informaţii despre ciocnirile de particule la viteze relativiste din cadrul celui mai mare accelerator de particule din lume, Large Hadron Collider (LHC), aparţinând CERN, lângă Geneva. Ce se întâmplă însă cu particulele care nu se ciocnesc, ci trec unele pe lângă altele? Oamenii de ştiinţă spun că studierea acestora ar putea deschide un nou capitol în domeniul fizicii, conform unui material publicat miercuri de Live Science.

Oamenii de ştiinţă caută încă o formă misterioasă de agregare a materiei ce a fost prevăzută de Einstein în teoria sa a relativităţii speciale. După mai bine de un deceniu de căutări, fizicienii de la CERN sunt de părere că sunt foarte aproape să o descopere.

De această dată însă, ei nu studiază ploaia de particule rezultate în urma coliziunii dintre protonii acceleraţi până aproape de viteza luminii. În schimb, fizicienii care lucrează cu cel mai mare accelerator de particule din lume, un circuit de 27 de kilometri lungime construit în subteran în apropierea graniţei franco-helvete, caută această formă neobişnuită a materiei, denumită condensat culoare-sticlă, în cazul particulelor care nu se ciocnesc ci trec la distanţă foarte mică unele pe lângă altele (near-miss).

Condensatul culoare-sticlă este un tip teoretic de materie care ar exista în nucleii atomici ce se deplasează la viteze apropiate de cea a luminii. Conform Teoriei Relativităţii, un nucleu cu nivel de energie ridicat va apărea cu lungimea contractată, sau comprimată, de-a lungul direcţiei sale de propagare. Drept rezultat, gluonii din nucleu vor părea, pentru un observator staţionar, drept un "zid gluonic" care se deplasează cu o viteză apropiată de cea a luminii. La niveluri foarte mari de energie, densitatea gluonilor din acest "zid" creşte foarte mult. Spre deosebire de plasma quarc-gluon rezultată în urma coliziunii unor astfel de ziduri de gluoni, condensatul culoare-sticlă pare să descrie aceste ziduri şi este o proprietate intrinsecă a particulelor ce nu poate fi observată decât în condiţii energetice extreme, aşa cum sunt cele dezvoltate de marile acceleratoare de particule.

Conform Modelului Standard din fizică, teoria care descrie grădina zoologică de particule subatomice, 98% din materia vizibilă din Univers este ţinută laolaltă de particule fundamentale denumite gluoni. Aceste particule sunt purtătoarele de forţă care lipesc laolaltă quarcurile pentru a forma protoni şi neutroni. Atunci când protonii sunt acceleraţi până aproape de viteza luminii, se produce un fenomen misterios: concentraţia de gluoni din interiorul lor creşte enorm.

"În aceste cazuri, gluonii se scindează în perechi de gluoni cu niveluri energetice mai mici, care se scindează la rândul lor ş.a.m.d.", explică Daniel Tapia Takaki, profesor de fizică şi astronomie la Universitatea din Kansas. "La un moment dat, scindarea gluonilor din interiorul unui proton atinge o limită dincolo de care gluonii nu se mai multiplică. Această stare a materiei este cunoscută drept condensatul culoare-sticlă, o stare ipotetică a materiei despre care se crede că există în protonii cu niveluri de energie foarte ridicate precum şi în nucleii atomici foarte grei", a adăugat el.

Conform Laboratorului Naţional Brookhaven, unde se află un alt mare accelerator de particule, Heavy Ion Collider, acest condensat ar putea explica multe mistere neelucidate ale fizicii, cum ar fi modalitatea de formare a particulelor în urma unor coliziuni la niveluri de energie înalte, sau modul în care materia este distribuită în cadrul particulelor. Oamenii de ştiinţă nu au putut însă confirma experimental existenţa acestei stări a materiei. În anul 2000, cercetători de la Laboratorului Naţional Brookhaven, au descoperit primele indicii indirecte ale existenţei acestui condensat.

Atunci când, în cadrul acceleratorului, au fost introduşi în coliziune atomi de aur privaţi de electroni, au observat un semnal neobişnuit la particulele rezultate în urma coliziunilor. Acest semnal indica faptul că protonii acestor atomi de aur erau încărcaţi până la refuz cu gluoni şi începeau să formeze condensatul culoare-sticlă.

Alte experimente desfăşurate prin coliziunea unor ioni grei în cadrul LHC au avut rezultate similare. Însă, coliziunile dintre protoni la viteze relativiste pot oferi doar o imagine succintă asupra conţinutului gluonic al protonilor, înainte ca aceste subparticule să explodeze degajând o cantitate uriaşă de energie. Explorarea interiorului protonilor necesită o abordare mai puţin violentă.

Atunci când particulele cu sarcină electrică, aşa cum sunt protonii, sunt accelerate la viteze foarte mari, ele generează câmpuri electromagnetice foarte puternice şi eliberează energie sub forma fotonilor (particulele de lumină). Aceste "scurgeri" de energie sub formă de lumină erau considerate până recent un efect secundar nedorit al funcţionării acceleratoarelor de particule.

Dacă protonii trec unii pe lângă alţii în cadrul acceleratorului, furtuna de fotoni pe care o eliberează poate provoca, la rândul ei, coliziuni proton - foton. Aceste aşa-numite coliziuni ultra-periferice sunt considerate cheia înţelegerii naturii interne a protonilor cu niveluri de energie ridicată.

"Când o undă de lumină cu energie ridicată loveşte un proton produce particule - de toate felurile - fără a sparge protonul", mai susţine Tapia Takaki, într-un comunicat. "Aceste particule sunt înregistrate de detectoarele noastre de particule şi ne permit să reconstituim imaginea a ceea ce se afla în interior".

Tapia Takaki şi o echipă internaţională de oameni de ştiinţă folosesc acum această metodă pentru a detecta experimental misteriosul condensat culoare-sticlă. Conform unor rezultate preliminare comunicate în numărul din august al revistei The European Physical Journal C., echipa a reuşit să măsoare indirect densitatea gluonilor la patru niveluri de energie diferite. La nivelul cel mai ridicat de energie ei au identificat dovezi că acest condensat începea să se formeze.

Rezultatele experimentale "sunt foarte emoţionante pentru că ne oferă noi informaţii despre dinamica gluonică din interiorul protonilor, dar rămân încă multe întrebări la care trebuie să răspundem", a comentat şi Victor Goncalves, profesor de fizică la Universitatea Federală din Pelotas, Brazilia, co-autor al studiului. Deocamdată însă, notează Live Science, existenţa condensatului culoare-sticlă rămâne un mister.