Φυσική

Οι φυσικοί που ερευνούν τις συγκρούσεις βαρέων σωματιδίων πιστεύουν ότι βρίσκονται στα ίχνη μιας νέας οικουμενικής μορφής ύλης, κοινής σε σωματίδια πολύ υψηλής ενέργειας, από πρωτόνια μέχρι βαρείς πυρήνες όπως το ουράνιο. Μερικοί πιστεύουν ότι η συγκεκριμένη ύλη, η οποία ονομάζεται υαλώδες συσσωμάτωμα χρώματος (color glass condensate, CGC), ίσως εξηγήσει νέες πυρηνικές ιδιότητες καθώς και τη διαδικασία παραγωγής σωματιδίων κατά τις κρούσεις. Μάλιστα, μερικοί πειραματιστές ανακοίνωσαν προσφάτως ενδιαφέροντα δεδομένα που υποδεικνύουν ότι ένα υαλώδες συσσωμάτωμα χρώματος έχει ήδη παραχθεί σε προηγούμενα πειράματα.

Σωματίδια όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια, τα κουάρκ και τα γλοιόνια. Όπως τα ηλεκτρόνια έχουν ηλεκτρικό φορτίο και φορείς των μεταξύ τους δυνάμεων είναι τα φωτόνια, κατ’ αναλογία τα κουάρκ διαθέτουν φορτίο «χρώματος» και αντίστοιχοι φορείς των μεταξύ τους δυνάμεων είναι τα γλοιόνια. Ωστόσο, μια μεγάλη διαφορά είναι ότι τα γλοιόνια, σε αντίθεση με τα φωτόνια, αλληλεπιδρούν ισχυρά μεταξύ τους. Καθώς λοιπόν πρωτόνια ή βαρείς πυρήνες ―χρυσού, για παράδειγμα― επιταχύνονται προσεγγίζοντας την ταχύτητα του φωτός, στη διεύθυνση της κίνησης αποκτούν πεπλατυσμένη δομή που μοιάζει με τηγανίτα ―ένα σχετικιστικό φαινόμενο που λέγεται συστολή Lorentz. Επιπλέον, η υψηλή ενέργεια του επιταχυνόμενου πυρήνα συνεπάγεται παραγωγή μεγάλου πλήθους γλοιονίων. Οι εν λόγω παράγοντες ―το σχετικιστικό φαινόμενο και ο πολλαπλασιασμός των γλοιονίων― μπορεί να μετασχηματίσει τον σφαιροειδή πυρήνα σε ένα πεπλατυσμένο «τείχος» γλοιονίων. Το εν λόγω «τείχος», 50.000 με 100.000 φορές πυκνότερο από τον συνηθισμένο πυρήνα, είναι το υαλώδες συσσωμάτωμα χρώματος. Το επιπεδόμορφο πλήθος των γλοιονίων μεταπίπτει στην ίδια κβαντική κατάσταση με τρόπο παρόμοιο αυτού με τον οποίο τα άτομα ενός συσσωματώματος Bose-Einstein χαμηλής θερμοκρασίας συμπεριφέρονται συλλογικά σαν ένα γιγαντιαίο άτομο [βλ. Eric Cornell και Carl Wieman, “The Bose-Einstein Condensate,” Scientific American, Μάρτιος 1998].

Εκτός από την ομοιότητά της με τα συσσωματώματα Bose, η συμπιεσμένη ύλη προσιδιάζει τρόπον τινά προς τα συνήθη γυαλιά, αναφέρει ο Larry McLerran, θεωρητικός του Εθνικού Εργαστηρίου του Μπρουκχέιβεν (Λονγκ Αιλαντ, Νέα Υόρκη), ο οποίος πρώτος διατύπωσε την ιδέα περί υαλώδους συσσωματώματος χρώματος. Φέρ’ ειπείν, τα πεδία χρώματος των γλοιονίων εκτείνονται προς τυχαίες κατευθύνσεις, όπως τα ασθενή, διάχυτα ηλεκτρικά πεδία που δημιουργούνται από τον προσανατολισμό των ατόμων στο γυαλί. Ακριβώς όπως το κανονικό γυαλί είναι ένα άμορφο στερεό για σύντομο χρονικό διάστημα (για χρόνια) αλλά για μεγάλα διαστήματα (για αιώνες) ρέει, αυτά τα υψηλής ενέργειας γλοιόνια βρίσκονται σε μια υαλοειδή κατάσταση που μεταβάλλεται πολύ αργά σε σχέση με τις τυπικές χρονικές κλίμακες των πυρηνικών συστημάτων. Η κατάσταση αυτή εμφανίζεται σε όλα τα σωματίδια εξαιρετικά υψηλής ενέργειας και πιθανόν μέσω αυτής οι φυσικοί να καταφέρουν να περιγράψουν τις κατανομές και τις πιθανότητες σκέδασης των σωματιδίων που παράγονται στη διάρκεια των συγκρούσεων.

Επιπλέον, το υαλώδες συσσωμάτωμα χρώματος μπορεί να «γίνει θρύψαλα» κατά την κρούση του με άλλο σωμάτιο ή κάποιον βαρύ πυρήνα. Ο θρυμματισμός μπορεί να παραγάγει ένα πλάσμα κουάρκ-γλοιονίων (QGP), μια άτακτη συγκέντρωση κουάρκ και γλοιονίων που χαρακτηρίζεται από πίεση και θερμοκρασία και η οποία μπορεί να περιγραφεί όπως ένα αέριο [βλ. Madhusree Mukerjee, “A Little Big Bang”, Scientific American, Μάρτιος 1999]. Μολονότι δεν έχει ακόμα ανακοινωθεί καμία ανακάλυψη, πολλοί φυσικοί πιστεύουν ότι, σε συγκρούσεις βαρέων ιόντων στον Επιταχυντή Βαρέων Σχετικιστικών Ιόντων (RHIC) στο Μπρουκχέιβεν, έχει ήδη παραχθεί πλάσμα κουάρκ-γλοιονίων, το οποίο θα προσφέρει στοιχεία για τη φύση του αρχέγονου σύμπαντος.

Το υαλώδες συσσωμάτωμα χρώματος, όντας πρόδρομο του πλάσματος κουάρκ-γλοιονίων, πρέπει να έχει δημιουργηθεί εφόσον σχηματίστηκε το πλάσμα, όπως πιστεύουν ο McLerran και μερικοί άλλοι πειραματικοί. Κάποιες ενδείξεις περί δημιουργίας υαλώδους συσσωματώματος χρώματος προέρχονται από πειράματα σκέδασης ηλεκτρονίου-πρωτονίου που διεξήχθησαν στον επιταχυντή HERA στο Αμβούργο της Γερμανίας. Όμως, ίσως τα ευκρινέστερα σήματα να εμφανίστηκαν κατά τις συγκρούσεις χρυσού-χρυσού και δευτερίου-χρυσού που έλαβαν χώρα στον RHIC. (Το δευτέριο είναι πυρήνας βαρέος υδρογόνου, αποτελείται δηλαδή από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο.)

Για να ανιχνεύσουν το πλάσμα κουάρκ-γλοιονίων, οι φυσικοί εξετάζουν τα σμήνη σωματιδίων που εκτοξεύονται κάθετα προς τον άξονα της δέσμης. Αλλά για να εντοπίσουν σημάδια του υαλώδους συσσωματώματος χρώματος, οι ανιχνευτές στοχεύουν σε πολύ μικρές γωνίες (περίπου 4 μοίρες) σε σχέση με τον άξονα της δέσμης, διότι εκεί τα φαινόμενα που σχετίζονται με ένα μεγάλο πλήθος γλοιονίων πολύ μικρής ορμής παίζουν κυρίαρχο ρόλο. Τόσο οι συγκρούσεις δευτερίου-χρυσού όσο και αυτές χρυσού-χρυσού παράγουν λιγότερα σωματίδια (σε σχέση με άλλες συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου) σε αυτές τις μικρές πρόσθιες γωνίες, ένδειξη ότι οι πυρήνες χρυσού διατελούσαν σε κατάσταση υαλώδους συσσωματώματος χρώματος. Το φαινόμενο αυτό πρωτοπαρατηρήθηκε από μια ομάδα στην οποία συμμετέχουν πολλά ιδρύματα και η οποία ονομάζεται συνεργασία BRAHMS. Δύο άλλες συνεργασίες ―PHOBOS και PHENIX― επιβεβαίωσαν τα δεδομένα τής BRAHMS.

«Νομίζω ότι το γεγονός αυτό αποτελεί ενδιαφέρουσα νύξη πως κάτι πράγματι συμβαίνει εδώ» σχολιάζει ο Gunther Roland τής PHOBOS. «Πιστεύω, όμως, ότι απομένει ακόμα πολύ δουλειά στο θεωρητικό επίπεδο μέχρις ότου επιβεβαιωθεί ότι το υαλώδες συσσωμάτωμα χρώματος ευθύνεται πράγματι για ό,τι παρατηρούμε στα πειράματα.»

Ο θεωρητικός Miklos Gyulassy, του Πανεπιστημίου Columbia, πιστεύει όμως ότι τα πειραματικά στοιχεία που συνηγορούν υπέρ του υαλώδους συσσωματώματος χρώματος είναι πολύ έμμεσα: « Ό,τι έχει παρουσιαστεί ώς τώρα δεν αρκεί, κατά τη γνώμη μου.» Επισημαίνει ότι το συσσωμάτωμα θα πρέπει για την ακρίβεια να εμφανίζεται και για γλοιόνια που κινούνται με ακόμα μικρότερη ορμή από αυτήν που έχει μετρηθεί ώς τώρα. Και πάντως μπορεί να μην έχουμε άμεσες ενδείξεις υπέρ του συσσωματώματος μέχρις ότου λάβουν χώρα οι μεγαλύτερης ενέργειας συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN σε 3 περίπου χρόνια ή μέχρις ότου γίνει αναβάθμιση στο Εθνικό Εργαστήριο του Μπρουκχέιβεν, πιθανόν σε μία δεκαετία από σήμερα.

Επιστημονικά Νέα - Ιούνιος, 2004