W głębinach Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) – najpotężniejszego akceleratora cząstek na świecie – naukowcy wreszcie zobaczyli to, co przez dziesięciolecia pozostawało nieuchwytne. Mowa o „śladzie dyfuzyjnym” (diffusion wake), który pozostawia szybko poruszający się kwark lub gluon, przechodząc przez plazmę kwarkowo-gluonową – nadgorącą i gęstą „zupę” elementarnych składników materii, przypominającą stan Wszechświata w pierwszych mikrosekundach po Wielkim Wybuchu.
Wyobraź sobie: dwa jądra ołowiu rozpędzane są do prędkości bliskich świetlnej i zderzają się w detektorze CMS. W tym momencie rodzi się plazma kwarkowo-gluonowa – środowisko, w którym kwarki i gluony (partony) istnieją swobodnie, nie zamknięte w protonach i neutronach. Kiedy przez tę plazmę przelatuje wysokoenergetyczny parton, traci on energię i pęd, pozostawiając za sobą zaburzenie, podobne do śladu za łodzią na wodzie. Teoria przewidywała taki efekt ponad 20 lat temu, ale eksperymentalnie nie udawało się go pewnie uchwycić – sygnał był zbyt słaby na tle innych procesów.
Wcześniej naukowcy szukali śladów w zdarzeniach z dżetami (strumieniami cząstek) i bozonami Z, ale szum pochodzący z innych efektów maskował obraz. Zespół pod kierownictwem badaczy z University of Illinois w Chicago (UIC), w tym Raghunada Pradhana i Olgi Evdokimovoy, zastosował nowe podejście. Skupili się na zdarzeniach dwudżetowych – gdy dwa dżety wylatują w niemal przeciwnych kierunkach. Pozwoliło to lepiej oddzielić sygnał śladu od tła.
Analiza danych ze zderzeń ołów-ołów przy energii 5,02 TeV na nukleon pokazała wyraźny obraz: za dżetami obserwuje się zauważalne zubożenie cząstek o niskim pędzie (w zakresie 1–2 GeV). Efekt wzmacnia się w centralnych, „gęstszych” zderzeniach, gdzie powstaje więcej plazmy. Istotność przekroczyła pięć odchyleń standardowych – jest to poziom, który w fizyce cząstek uznawany jest za pewne odkrycie.
„To kulminacja wieloletnich poszukiwań” – zaznaczyła Olga Evdokimova. „Obserwacja i ilościowe opisanie śladu dyfuzyjnego otwiera drzwi do precyzyjnej charakterystyki właściwości plazmy kwarkowo-gluonowej i daje nowe spostrzeżenia dotyczące ewolucji wczesnego Wszechświata”.
Wyniki, przyjęte do publikacji w Physical Review Letters (artykuł HIN-25-012), nie tylko potwierdzają teorię. Pomagają lepiej zrozumieć, jak zachowywała się materia w pierwszych chwilach kosmosu – kiedy z tej plazmy formowały się pierwsze protony, neutrony i ostatecznie cały widzialny Wszechświat. Plazma zachowuje się jak idealny płyn, silnie oddziałując z przechodzącymi przez nią cząstkami, a nie jak rozrzedzony gaz.
Dla szerokiej publiczności jest to przypomnienie o tym, jak laboratoria na Ziemi pozwalają zajrzeć w warunki niedostępne do bezpośredniej obserwacji. Każdy nowy „ślad” wychwycony w akceleratorze przybliża nas do zrozumienia, jak z chaosu pierwszych chwil wyłonił się uporządkowany kosmos, w którym istniejemy. A poszukiwania, oczywiście, trwają nadal.
