|
De første få
mikrosekunder I nylige eksperimenter har
fysikere kopieret forholdene i det spæde univers – med overraskende
resultater Michael Riordan og William A.
Zajc*
Det teoretiske billed dukker op
I de sidste fem
år har hundreder af forskere brugt en kraftig, ny atomknuser på Brookhaven
National Laboratory på Long Island til at efterligne forholdene, der fandtes
ved universets fødsel. Den kaldes Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC,
udtales ”rick”), og smadrer to modsatrettede stråler af guldkerner, der
bevæger sig med næsten lysets hastighed. De resulterende kollisioner mellem
par af disse atomkerner frembringer overordentlig varme, tætte udbrud af stof
og energi for at simulere, hvad der skete i løbet af de første få
mikrosekunder af big bang. Disse korte ”mini bangs” giver fysikerne plads på første
række til nogen af skabelsens tidligste øjeblikke. I disse tidlige
øjeblikke var stoffet en ekstremt varm, supertæt bryg af partikler, kaldet
kvarker og gluoner, der flintrede hid og did og bragede ind i hinanden enten
de ville eller ej. Et drys af elektroner, fotoner og andre lette
elementarpartikler krydrede suppen. Denne blanding havde en temperatur oppe
på trillioner af grader, mere end 100.000 gange varmere end solens kerne. Men temperaturen dykkede
efterhånden som universet udvidede sig, ligesom en almindelig gas afkøles i
vore dage, når den udvider sig hurtigt. Kvarkerne og gluonerne bremsede så
meget op, at nogle af dem kunne begynde at hænge sammen i kort tid. Efter der
var gået næsten 10 mikrosekunder blev kvarkerne og gluonerne lænket sammen af
stærke kræfter mellem dem, låst inde permanent i protoner, neutroner og andre
stærkt vekselvirkende partikler, som fysikerne samlet kalder ”hadroner.” En
så brat ændring af et materiales egenskaber kaldes en faseovergang (som
flydende vand, der fryser til is). Den kosmiske faseovergang fra den
oprindelige blanding af kvarker og gluoner til jordiske protoner og neutroner
er af intens interesse for forskerne, både dem der søger spor om, hvordan
universet udviklede sig mod dets nuværende højt strukturerede tilstand, og
dem der ønsker at forstå de involverede fundamentale kræfter bedre. De protoner og
neutroner, der i dag danner kernen i hvert atom, er efterladte små dråber af
det urhav, små subatomare fængselsceller i hvilke kvarker bevæger sig
voldsomt frem og tilbage, for evigt lænkede. Selv i voldsomme kollisioner,
når kvarkerne synes på vej til at bryde ud, danner der sig nye ”vægge” til at
holde dem spærret inde. Skønt mange fysikere har prøvet, har ingen nogensinde
været vidne til, at en kvark er drevet alene gennem en partikeldetektor. RHIC giver forskerne en
gylden mulighed for at observere kvarker og gluoner uden lænker fra protoner
og neutroner i en kollektiv, tilsyneladende fri tilstand, der minder om disse
tidligste mikrosekunders eksistens. Teoretikerne kaldte oprindeligt denne
sammenbiksede ret for kvark-gluon plasma, fordi de forventede, at den ville
opføre sig som en overordentlig varm gas af ladede partikler (en plasma) lig
et lyns indre. Ved at smadre tunge kerner sammen i mini bangs, der kort
frigiver kvarker og gluoner, virker RHIC som en slags tidsteleskop, der giver
glimt af det tidlige univers, hvor den ultravarme, supertætte kvark-gluon
plasma regerede enerådende. Og den største overraskelse på RHIC indtil nu er,
at denne eksotiske substans synes at opføre sig mere som en væske – endskønt
en med meget specielle egenskaber – end en gas. Kosmisk
tidslinie
KOSMISK TIDSLINIE viser nogle betydningsfulde æraer i
det tidlige univers’ historie. Eksperimenter – SPS, RHIC og det fremtidige
LHC – sonderer længere og længere tilbage ind i de første mikrosekunder, da
kvark-gluon mediet fandtes. Sæt
kvarkerne fri I 1977, da
teoretikeren Steven Weinberg udsendte sin klassiske bog De første tre
minutter om det tidlige univers' fysik, undgik han enhver afgørende
konklusion om den første hundrededel sekund. ”Vi ved simpelthen endnu ikke
nok om elementarpartiklernes fysik til at kunne beregne egenskaberne ved en
sådan blanding med nogen overbevisning,” klagede han. ”Vor uvidenhed om
mikroskopisk fysik står således som et slør, der skjuler vor udsigt til selve
begyndelsen.” Men det årtis teoretiske
og eksperimentelle gennembrud begyndte hurtigt at løfte sløret. Man fandt
ikke kun, at både protoner, neutroner og alle andre hadroner indeholdt
kvarker; i midten af 1970'erne dukkede der også en teori om den stærke kraft
mellem kvarker – kaldet kvantekromodynamik, eller QCD – op. Denne teori
postulerede, at en skyggeagtig klike på otte neutrale partikler, kaldet
gluoner, flagrer blandt kvarkerne bærende på den ubøjelige kraft, der spærrer
dem inde i hadroner. Kollision og
detektion af partiklerne RHIC består primært af to 3,8 kilometer
lange ringe (rød og grøn), eller stråle
linier, der accelererer guld og andre tunge kerner til o,9999 af lysets
hastighed. Strålernes linier krydser på seks steder. Ved fire af disse
vejkryds kolliderer kernerne lige på og producerer mini bangs, der
efterligner forholdene under det big bang, der skabte universet. Detektorer
kaldet BRAHMS, PHENIX, PHOBOS og STAR analyserer stumperne, der flyver ud fra
kollisionerne.
Det særligt
interessante ved QCD er, at - i modsætning til hvad der sker med så velkendte
kræfter som gravitation og elektromagnetisme – koblingsstyrken bliver
svagere, når kvarkerne nærmer sig hinanden. Fysikerne har kaldt denne
underlige adfærd, der strider mod intuitionen, for asymptotisk frihed. Det
betyder, at når to kvarker er væsentligt nærmere hinanden end en
protondiameter (omkring 10-13 centimeter), så mærker de en
reduceret kraft, som fysikerne kan beregne med stor præcision ved hjælp af
standardteknikker. Kun når en kvark begynder at komme bort fra sin partner,
bliver kraften virkelig stærk og trækker partiklen tilbage som en hund i
snor. I kvantefysik er korte afstande mellem partikler forbundet med
kollisioner ved høj energi. Således bliver den asymptotiske frihed vigtig ved
høje temperaturer, når partikler er tæt pakket og konstant gennemgår
højenergi kollisioner med hinanden. Den asymptotiske frihed
er mere end nogen anden faktor det, der lader fysikerne løfte Weinbergs slør
og vurdere, hvad der skete i løbet af disse første få mikrosekunder. Så længe
temperaturen overskred omkring 10 trillioner grader Celsius, virkede
kvarkerne og gluonerne i det væsentlige individuelt. Selv ved lavere
temperaturer, ned til to trillioner grader, ville kvarkerne have strejfet
individuelt – skønt de på dette punkt ville have begyndt at mærke den
indesluttende QCD kraft trække i hælene på dem. For at simulere så
ekstreme forhold her på Jorden, skal fysikerne genskabe disse første få
mikrosekunders enorme temperaturer, tryk og tætheder. Temperatur er i det
væsentlige den kinetiske middelenergi af en partikel i en sværm af lignende
partikler, hvorimod trykket stiger med sværmens energitæthed. Ved at presse
de størst mulige energier ind i det mindst mulige rumfang har vi den bedste
chance for at simulere forhold, der fandt sted i big bang. Heldigvis forsyner
naturen os med færdiglavede, ekstremt tætte klumper af stof i form af
atomkerner. Hvis man på en eller anden måde kunne samle et fingerbøl af dette
kernestof, ville det veje 300 millioner tons. Tre årtiers erfaring med at
kollidere tunge kerner som bly og guld ved høje energier har vist, at
tæthederne, der forekommer under disse kollisioner, langt overskrider normalt
kernestofs tæthed. Og de frembragte temperaturer kan have overskredet fem
trillioner grader. Kollision af tunge
kerner, der hver indeholder en total på omkring 200 protoner og neutroner,
frembringer et meget større inferno, end det sker i kollisioner af
individuelle protoner (som almindeligvis bruges i andre højenergi
fysikeksperimenter). I stedet for en lillebitte eksplosion med dusinvis af
partikler flyvende ud, skaber sådanne kollisioner en sydende ildkugle
bestående af tusindvis af partikler. Der er nok partikler involveret til, at
ildkuglens samlede egenskaber – dens temperatur, tæthed, tryk og viskositet
(dens tykkelse eller modstand mod at løbe) – bliver nyttige, betydningsfulde
parametre. RHIC er
finansieret af U.S. Department of Energy og drevet af Brookhaven og er den
seneste facilitet til produktion og studium af kollisioner af tunge ioner.
Tidligere kerneacceleratorer skød stråler af tunge kerner mod stationære
metalmål. I modsætning hertil er RHIC en partikel kollider, der støder to
stråler af tunge kerner sammen. De resulterende kollisioner af modsat rettede
stråler frembringer langt større energier for samme partikelhastighed, fordi
hele den til rådighed værende energi går til at skabe lemlæstelse. Det ligner
meget, hvad der sker, når to hurtige biler støder sammen lige på. Deres
bevægelsesenergi omdannes til den tilfældige, termiske energi i dele og
stumper, der flyver i næsten alle retninger. Ved de yderst
relativistiske energier, der produceres på RHIC, bevæger kernerne sig med
99,99 procent af lysets hastighed og når energier så høje som 100
Gigaelektronvolt (GeV) for hver proton eller neutron derinde. (En GeV svarer
omtrent til en stationær protons masse). To strenge af 870 superledende
magneter, afkølet af tonsvis af flydende brint, leder strålerne rundt i to
sammenflettede 3,8 kilometer ringe. Strålerne støder sammen på fire punkter,
hvor disse ringe krydser hinanden. Fire højt udviklede partikeldetektorer
kaldet BRAHMS, PHENIX, PHOBOS og STAR optager de subatomare stumper, der spys
ud fra de voldsomme ødelæggelser på disse kollisionspunkter Når to guldkerner
kolliderer lige på ved RHICs højeste energi, læsser de en total af mere end
20.000 GeV ind i en mikroskopisk ildkugle blot en trilliontedel af en
centimeter i tværsnit. Kernerne og deres bestanddele af protoner og neutroner
smelter bogstavelig talt og der skabes mange flere kvarker, antikvarker
(antistof modparter til kvarkerne) og gluoner fra al den til rådighed værende
energi. I typiske møder frigives der kort mere end 5.000 elementarpartikler.
Det frembragte tryk i kollisionsøjeblikket er virkelig umådelig stort, enorme
1030 gange atmosfærisk tryk, og temperaturen inde i ildkuglen
stiger til trillioner af grader. Men omkring 50
trilliontedele (5 x 10-23) af et sekund senere rekombinerer alle
kvarkerne, antikvarkerne og gluonerne til hadroner, der eksploderer udad ind
i de omgivende detektorer. Hjulpet af kraftige computere forsøger disse
eksperimenter at optage så megen information som muligt om de tusinder af
partikler, der når dem. To af disse eksperimenter, BRAHMS og PHOBOS, er
forholdsvis små og koncentrerer sig om at observere specifikke egenskaber ved
stumperne. De andre to, PHENIX og STAR, er bygget omkring enorme anordninger,
som fylder deres tre-etagers eksperimentelle haller med tusindvis tons af
magneter, detektorer, absorbere og afskærmning. Et mini bang
fra start til slut RHIC frembringer forhold lig med de første få
mikrosekunder af big bang ved at slå guldkerner sammen med næsten lysets
hastighed. Hver kollision, eller mini bang, går igennem en serie trin og
producerer kort en ekspanderende ildkugle af gluoner (grøn), kvarker og antikvarker. Kvarkerne og antikvarkerne er for
det meste af op, ned og strange arterne (blå),
med kun nogle få af de tungere charm og bottom arter (rød). Ildkuglen blæser til sidst fra hinanden i form af hadroner
(sølv), som detekteres sammen med
fotoner og andre henfaldsprodukter. Forskerne udleder kvark-gluon mediets
egenskaber fra disse detekterede partiklers egenskaber.
De fire RHIC
eksperimenter er designet, konstrueret og drives af forskellige
internationale hold, der strækker sig fra 60 til mere end 500 forskere. Hver gruppe
har brugt en forskellig strategi til at behandle den skræmmende udfordring,
som RHIC hændelsernes enorme kompleksitet udgør. BRAHMS samarbejdet valgte at
fokusere på efterladenskaberne fra de oprindelige protoner og neutroner, der
suser afsted tæt på de kolliderende guldkerners retning. I kontrast hertil observerer PHOBOS
partikler over det bredest mulige vinkelområde og studerer sammenhængen
mellem dem. STAR blev bygget omkring verdens største ”digitale kamera,” en
enorm cylinder af gas, der giver tredimensionale billeder af alle de ladede
partikler udstrålet i et stort hul omkring stråleaksen. Og PHENIX leder efter
bestemte partikler frembragt meget tidligt i kollisionerne, som kan dukke
uskadte frem fra den kogende store kedel af kvarker og gluoner. Den giver på
den måde en slags røntgenbillede af ildkuglens indre dybder. Det fysiske
billede, der dukker frem fra de fire eksperimenter, er sammenhængende og
overraskende. Kvarkerne og gluonerne bryder virkelig ud af deres indespærring
og opfører sig kollektivt, om end kun flygtigt. Men denne varme blanding
opfører sig som en væske, ikke som den ideale gas, forskerne havde ventet. De
energitætheder man opnår i lige-på kollisioner mellem to guldkerner er
formidable, omkring 100 gange større end selve kernernes – for det meste på
grund af relativitet. Betragtet fra laboratoriet blive begge kerner fladet ud
til overordentlig tynde skiver af protoner og neutroner lige før de mødes. Så
hele deres energi er presset ind i et meget tyndt rumfang i øjeblikket for
sammenstødet. Fysikerne vurderer, at den resulterende energitæthed er mindst
15 gange den, der er nødvendig for at sætte kvarkerne og gluonerne fri. Disse
partikler begynder øjeblikkeligt at pile i alle retninger, smadre ind i hinanden
gentagne gange og derved blande deres energier til en mere termisk fordeling. Vidnesbyrd om den
hurtige dannelse af et sådant varmt, tæt medium kommer fra et fænomen kaldet
stråle slukning. Når to protoner kolliderer ved høj energi, kan nogle af deres
kvarker og gluoner mødes næsten lige-på og kastes tilbage, resulterende i
snævre, modsat rettede sprøjt af hadroner (kaldet stråler), som strømmer ud i
modsatte retninger. Men PHENIX og STAR detektorerne bevidner kun den ene
halvdel af et sådant par i kollisioner mellem guldkerner. De ensomme stråler
viser, at individuelle kvarker og gluoner virkelig kolliderer ved høj energi.
Men hvor er den anden stråle? Den kvark eller gluon, der kastes tilbage, skal
have pløjet sig ind i det hede, tætte medium, som lige er dannet; dens høje
energi ville så være blevet spredt af mange tætte møder med lavenergi kvarker
og gluoner. Det er som at skyde en kugle ned i et legeme af vand; næsten al
kuglens energi absorberes af langsomt bevægede vandmolekyler og den kan ikke trænge
igennem til den anden side. Indikationer på
væskelignende opførsel af kvark-gluon mediet kom tidligt i RHIC
eksperimenterne i form af et fænomen kaldet elliptisk strømning. I
kollisioner, der sker lidt forskudt fra centrum – hvilket ofte er tilfældet
–, når de opdukkende hadroner detektoren i en elliptisk fordeling. Flere
energirige hadroner sprøjter ud inde i vekselvirkningens plan end vinkelret
på det. Det elliptiske mønster viser, at der må være væsentlige
trykgradienter i gang i kvark-gluon mediet og at kvarkerne og gluonerne, fra
hvilke disse hadroner dannedes, opførte sig kollektivt før de vendte tilbage
til at være hadroner. De opførte sig som en væske – dvs., ikke en gas. Fra en
gas ville hadronerne dukke op ensartet i alle retninger. Kvark-gluon mediets
adfærd som væske må betyde, at disse partikler vekselvirker temmelig stærkt
med hinanden i de voldsomme øjeblikke lige efter dannelsen. Faldet i deres
vekselvirkningers styrke (forårsaget af QCDs asymptotiske frihed) overvindes
tilsyneladende af en dramatisk stigning i antallet af nyligt frigjorte
partikler. Det er som om vore stakkels fanger er brudt ud af deres celler
blot for at finde sig håbløst indviklet i et fængselsoprør, hvor de støder
ind i alle de andre flygtninge. Den resulterende tæt koblede dans er
nøjagtigt, hvad der sker i en væske. Denne situation strider mod det naive
teoretiske billede, som oprindelig fremstillede dette medium som en næsten
ideel, svagt vekselvirkende gas. Og de detaljerede egenskaber ved den
elliptiske asymmetri antyder, at denne overraskende væske flyder næsten uden
viskositet. Den er sandsynligvis den mest perfekte væske, der nogensinde er
observeret. Det teoretiske
billede dukker op Det er en enorm
udfordring at beregne de stærke vekselvirkninger, der finder sted i en væske
af kvarker og gluoner, som er presset sammen til næsten utænkelige tætheder
og som eksploderer udad næsten ved lysets hastighed. En indfaldsvinkel er at
udføre brutalt kraftige løsninger af QCD ved brug af enorme rækker af mikroprocessorer
specielt konstrueret til denne opgave.
I denne såkaldte gitter-QCD indfaldsvinkel tilnærmes rummet af et
adskilt gitter af punkter (tænk på en Tinkertoy struktur). QCD ligningerne
løses ved gentagne tilnærmelser på gitteret. Vidnesbyrd for
en tæt væske Især to fænomener peger på, at kvark-gluon mediet er en
tæt, flydende stoftilstand: stråleslukning og elliptisk strømning.
Stråleslukning betyder, at kvarkerne og gluonerne er tæt pakket og elliptisk
strømning ville ikke ske, hvis mediet var en gas.
Ved brug af denne
teknik har teoretikerne beregnet sådanne egenskaber som tryk og energitæthed
som funktion af temperaturen; hver af disse stiger, når hadronerne omdannes
til et kvark-gluon medium. Men denne metode er bedst egnet til statiske
opgaver, i hvilke mediet er i termodynamisk ligevægt, ulig de hurtigt
skiftende forhold i RHICs mini bangs. Selv de mest sofistikerede gitter-QCD
beregninger har været ude af stand til at bestemme sådanne dynamiske
egenskaber som stråleslukning og viskositet. Skønt viskositeten af et system
af strærkt vekselvirkende partikler forventes at være lille, kan den ikke
være nøjagtig nul på grund af kvantemekanikken. Men besvarelse af spørgsmålet
”Hvor lavt kan den gå?” har vist sig notorisk vanskeligt. Det er bemærkelsesværdigt, at hjælpen er kommet fra et uventet område:
kvantegravitationens strengteorier. En usædvanlig formodning fra teoretikeren
Juan Maldacena fra Institute for Advanced Study i Princeton, N.J., har smedet en overraskende
forbindelse mellem en teori om strenge i et forvrænget femdimensionalt rum og
en QCD lignende teori om partikler, der eksisterer på det rums
firedimensionale rand [se ”The Illusion of Gravity,” af Juan Maldacena;
Scientific American, November 2005], [Illusionen af
gravitation]. De to teorier er matematisk ækvivalente selv om de
forekommer at beskrive radikalt forskellige riger i fysikken. Når de QCD
lignende kræfter bliver stærke, bliver den tilsvarende strengteori svag og
derfor nemmere at vurdere. Mængder som viskositet, der er vanskelige at
beregne i QCD, har modparter i strengteori (i dette tilfælde et sort huls
absorption af gravitationsbølger), der
er meget mere medgørlige. Fra denne indfaldsvinkel fremkommer der en meget
lille, men ikkenul, nedre grænse for, hvad der kaldes den specifikke
viskositet – kun omkring en tiendedel af superflydende helium. Muligvis kan
strengteori hjælpe os med at forstå, hvordan kvarker og gluoner opførte sig i
løbet af big bangs tidligste mikrosekunder. Det er
forbavsende, at det varmeste, tætteste stof, man nogensinde har truffet,
langt overgår alle andre kendte væsker i dets tilnærmelse til perfektion.
Hvordan og hvorfor dette sker er nu den mægtige eksperimentelle udfordring,
som fysikerne på RHIC står overfor. Rigdommen af data fra disse eksperimenter
tvinger allerede teoretikerne til at genoverveje nogle højt skattede ideer om
stof i det tidlige univers. I fortiden behandlede de fleste beregninger de
frigjorte kvarker og gluoner som en ideal gas i stedet for en væske. QCD
teorien og asymptotisk frihed er ikke i fare – der findes ingen vidnesbyrd,
som bestrider de fundamentale ligninger. Det, der er til debat, er de
teknikker og forenklende antagelser, som teoretikerne bruger til at drage konklusioner
ud fra ligningerne. For at tage fat på disse
spørgsmål studerer eksperimentatorerne de forskellige slags kvarker, der
dukker frem fra mini bangs, især de tungere varianter. Da kvarker oprindeligt
blev forudsagt i 1964, mentes de at forekomme i tre versioner: op, ned og
strange. Med masser under 0,15 GeV skabes disse tre arter kvarker og deres
antikvarker i rigelige mængder og i stort set ens antal i RHIC kollisioner.
To yderligere kvarker, kaldt charm og bottom, viste sig i 1970'erne og havde meget
større masser, henholdsvis omkring 1,6 og 5 GeV. Fordi der kræves meget mere
energi til at skabe disse tunge kvarker (ifølge E = mc2), dukker
de op tidligere i mini bangs (når energitæthederne er højere) og ikke nær så
ofte. Denne sjældenhed gør dem til værdifulde sporpartikler af
strømningsmønstrene og andre egenskaber, der udfolder sig tidligt i et mini
bangs udvikling. PHENIX og STAR
eksperimenterne er velegnede til så detaljerede studier, fordi de kan
detektere højenergi elektroner og andre partikler kaldet muoner, der ofte
dukker op i henfald af disse tunge kvarker. Fysikerne sporer så disse og
andre henfaldspartikler tilbage til deres udgangspunkt, hvilket giver
afgørende information om de tunge kvarker, der avlede dem. Med deres større
masser kan tunge kvarker have forskellige strømningsmønstre og adfærd fra
deres mere talrige fætre. Måling af disse forskelle burde hjælpe med at lokke
præcise værdier for den lillebitte forudsete resterende viskositet frem. Charm kvarker har en anden
egenskab, der er nyttig til sondering af kvark-gluon mediet. Sædvanligvis
produceres der omkring 1 procent af dem i tæt omfavnelse med en charm
antikvark, som tilsammen danner en neutral partikel kaldet J/psi.
Adskillelsen mellem de to partnere er kun omkring en tredjedel af en protons
radius, så J/psi produktionens fart burde være følsom for kraften mellem
kvarker på korte afstande. Teoretikerne forventer, at denne kraft vil falde
bort, fordi den omgivende sværm at lette kvarker og gluoner vil tendere til
at skærme charm kvarken og antikvarken fra hinanden, førende til mindre J/psi
produktion. Nylige PHENIX resultater viser, at J/psi partikler virkelig
opløses i væsken, lig det der tidligere blev observeret på CERN, det
europæiske laboratorium for partikelfysik nær Geneve [se ”Fireballs of Free
Quarks,” af Graham P. Collins, News and Analysis; Scientific American, April
2000]. Endnu større J/psi undertrykkelse var forventet at ske på RHIC på
grund af de højere involverede tætheder, men tidlige resultater antyder, at
en konkurrerende mekanisme, som gendannelse af J/psi partikler, måske kan ske
ved disse tætheder. Yderligere målinger vil fokusere på dette mysterium ved
at lede efter andre par af tunge kvarker og observere om og hvordan deres
produktion undertrykkes. En anden indfaldsvinkel,
man følger, er, at prøve at betragte kvark-gluon væsken ved dens eget lys. En
varm suppe af disse partikler burde skinne kort, som blinket fra et lyn,
fordi den udstråler højenergifotoner, der undslipper mediet uskadte. Ligesom
astronomerne måler en fjern stjernes temperatur fra lysudstrålingens
spektrum, prøver fysikerne at bruge disse energirige fotoner til at bestemme
kvark-gluon væskens temperatur. Men måling af dette spektrum har indtil
videre vist sig enormt udfordrende, fordi der frembringes mange andre fotoner
af henfaldet af nogle hadroner kaldet pioner. Skønt disse fotoner produceres
længe efter kvark-gluon væsken er vendt tilbage til at være hadroner, ser de
alle ens ud, når de ankommer ved detektorerne.
Mange fysikere
forbereder sig nu på den næste energifront på Large Hadron Collider (LHC) på
CERN. Begyndende i 2008 vil eksperimenter dér observere kollisioner af
blykerner ved kombinerede energier, som overstiger en million GeV. Et
internationalt hold på mere end 1.000 fysikere bygger mammutdetektoren ALICE,
som vil kombinere PHENIX og STARs evner i et enkelt eksperiment. Mini bangs
produceret af LHC vil kort nå adskillige gange energitætheden, der forekommer
i RHIC kollisioner og temperaturerne, der nås derinde burde nemt overstige 10
trillioner grader. Fysikerne vil så være i stand til at simulere og studere
forhold, der forekom under de allerførste mikrosekunder af big bang. Det overordnede
spørgsmål er, hvorvidt den væskelignende adfærd, man har været vidne til på
RHIC, vil vedvare ved de højere temperaturer og tætheder, der forekommer på
LHC. Nogle teoretikere projekterer, at kraften mellem kvarkerne vil blive
svag, når de først når en middelenergi der overskrider 1 GeV, hvilket vil ske
på LHC, og at kvark-gluon plasmaen endelig vil begynde at opføre sig rigtigt
– som en gas, som oprindeligt forventet. Andre er mindre tillidsfulde. De
fastholder, at QCD kraften ikke kan falde bort hurtigt nok ved disse høje
energier, så kvarkerne og gluonerne burde forblive tæt koblede i deres
flydende omfavnelse. Om dette emne må vi afvente eksperimenternes dom, som
meget vel også kan bringe andre overraskelser. The
Relativistic Heavy-Ion Collider: Creating a Little Big Bang on Long Island. Frank
Wolfs i Beam Line, siderne 2-8;
Forår/Sommer 2001. Online på www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/ What
Have We Learned from the Relativistic Heavy Ion Collider? Thomas Ludiam og
Larry McLerran i Physics Today,
Vol. 56, No. 10, siderne 48-54; Oktober 2003. RHIC hjemmeside: www.bnl.gov/RHIC/ RHIC
animationer: www.phenix.bnl.gov/WWW/software/luxor/ani/ RHIC samarbejdets
websider, som inkluderer links til forskningspapirer: www.RHIC.bnl.gov/brahms/ www.phenix.bnl.gov
; www.phobos.bnl.gov ; og www.star.bnl.gov
* Michael Riordan underviser i
fysikkens historie på Stanford University og University of California, Santa
Cruz, hvor han er adjunct professor i fysik. Han er forfatter til The
Hunting of the Quark og medforfatter til The Shadows of Creation. William A. Zajc er professor i fysik
ved Columbia University. I de sidste seks år har han virket som videnskabelig
talsmand for PHENIX Experiment på RHIC, et internationalt samarbejde af mere
end 400 forskere fra 13 nationer. Illustrationer
af Lucy Reading – Ikkanda. Fra The First Few Microseconds, Scientific American, Maj 2006,
side 24-31.
17. maj 2010. |
|||||||||||||||||||
|
|
