In de diepten van de Large Hadron Collider (LHC) – ’s werelds krachtigste deeltjesversneller – hebben wetenschappers eindelijk iets gezien dat al decennia ongrijpbaar bleef. Het gaat om de „diffusiespoor” (diffusion wake), die wordt achtergelaten door een snelle quark of gluon die door quark-gluonplasma beweegt – een superhete en dichte „soep” van elementaire materiebestanddelen, vergelijkbaar met de toestand van het universum in de eerste microseconden na de Big Bang.
Stel je voor: twee loodkernen worden versneld tot snelheden die dicht bij de lichtsnelheid liggen en botsen in de CMS-detector. Op dat moment wordt quark-gluonplasma geboren – een omgeving waarin quarks en gluonen (partonen) vrij bestaan, niet opgesloten binnen protonen en neutronen. Wanneer een hoogenergetisch partoon door dit plasma vliegt, verliest het energie en impuls, en laat een verstoring achter, vergelijkbaar met de kielzog van een boot in water. De theorie voorspelde een dergelijk effect meer dan 20 jaar geleden, maar experimenteel kon het nooit met zekerheid worden vastgelegd – het signaal was te zwak tegen de achtergrond van andere processen.
Voorheen zochten wetenschappers naar sporen in gebeurtenissen met jets (deeltjesstralen) en Z-bosonen, maar ruis van andere effecten maskeerde het beeld. Het team onder leiding van onderzoekers van de University of Illinois in Chicago (UIC), waaronder Raghunad Pradhan en Olga Evdokimov, paste een nieuwe aanpak toe. Ze concentreerden zich op dijet-gebeurtenissen – wanneer twee jets bijna in tegenovergestelde richtingen uitvliegen. Dit maakte het mogelijk om het signaal van de spoor beter te scheiden van de achtergrond.
Analyse van de lood-lood-botsingsgegevens bij een energie van 5,02 TeV per nucleon toonde een duidelijk beeld: achter de jets werd een merkbare afname van deeltjes met lage impuls (in het bereik van 1-2 GeV) waargenomen. Het effect versterkt zich in centrale, „dichtere” botsingen, waar meer plasma wordt gevormd. De significantie overschreed vijf standaarddeviaties – dit is een niveau dat in de deeltjesfysica als een betrouwbare ontdekking wordt beschouwd.
„Dit is het hoogtepunt van jarenlang zoeken”, merkte Olga Evdokimov op. „De waarneming en kwantitatieve beschrijving van de diffusiespoor opent de deur naar een nauwkeurige karakterisering van de eigenschappen van quark-gluonplasma en biedt nieuwe inzichten in de evolutie van het vroege universum.”
De resultaten, die zijn geaccepteerd voor publicatie in Physical Review Letters (artikel HIN-25-012), bevestigen niet alleen de theorie. Ze helpen beter te begrijpen hoe materie zich gedroeg in de allereerste momenten van de kosmos – toen uit dit plasma de eerste protonen, neutronen en uiteindelijk het hele zichtbare universum werden gevormd. Het plasma gedraagt zich als een ideale vloeistof, die sterk interageert met de deeltjes die erdoorheen gaan, en niet als een ijle gas.
Voor het grote publiek is dit een herinnering hoe laboratoria op aarde ons in staat stellen om te kijken naar omstandigheden die niet direct waarneembaar zijn. Elke nieuwe „spoor”, gevangen in de deeltjesversneller, brengt ons dichter bij het begrijpen hoe uit de chaos van de eerste momenten de geordende kosmos is ontstaan waarin wij bestaan. En het zoeken gaat natuurlijk door.
