Para ilmuwan mengungkap rahasia momen pertama alam semesta

Upaya mereka berfokus pada pemetaan “sup primordial” yang mengisi alam semesta dalam sepersejuta detik setelah penciptaannya.

Fisikawan dari Universitas Eötvös Loránd mempelajari komponen inti atom menggunakan tiga akselerator partikel tercanggih di dunia. Penelitian mereka bertujuan untuk mengeksplorasi “sup primordial” yang ada di alam semesta selama mikrodetik pertama setelah penciptaannya. Menariknya, temuan mereka menunjukkan bahwa pergerakan partikel yang diamati menyerupai pencarian mangsa predator laut, pola perubahan iklim, dan fluktuasi pasar saham.

Segera setelah kecelakaan itu ledakan besar ituTemperaturnya sangat ekstrim sehingga inti atom maupun nukleon, bahan penyusunnya, tidak akan ada. Oleh karena itu, dalam kasus pertama ini, alam semesta dipenuhi dengan “sup primordial” quark dan gluon.

Saat alam semesta mendingin, medium ini mengalami proses “pembekuan”, yang mengarah pada pembentukan partikel yang kita kenal sekarang, seperti proton dan neutron. Fenomena ini direplikasi dalam skala yang jauh lebih kecil dalam eksperimen akselerator partikel, di mana tumbukan antara dua inti menghasilkan tetesan kecil materi quark. Tetesan ini akhirnya bertransisi menjadi materi biasa melalui pembekuan, sebuah transformasi yang diketahui para peneliti yang melakukan eksperimen ini.

Perbedaan materi quark

Namun sifat materi quark berbeda karena perbedaan tekanan dan suhu akibat energi tumbukan pada akselerator partikel. Perbedaan ini memerlukan pengukuran untuk “memindai” materi pada akselerator partikel dengan energi berbeda, seperti Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) di Amerika Serikat, atau Superproton Collider (SPS) dan Large Hadron Collider (LHC) di Swiss.

“Aspek ini sangat penting sehingga akselerator baru diciptakan di seluruh dunia, misalnya di Jerman atau Jepang, khususnya untuk eksperimen semacam itu. “Mungkin pertanyaan yang paling penting adalah bagaimana transisi antar fase terjadi: sebuah titik kritis mungkin muncul pada tahap ini. peta fase.” , jelas Mati Chanad, Profesor Fisika di Departemen Fisika Atom di Universitas Eötvös Lorand (ELTE).

Montase trek yang direkonstruksi dari peristiwa tabrakan aktual dan foto-foto detektor yang terlibat, di Laboratorium Nasional Brookhaven dan di CERN. Sumber: Montase dibuat oleh Máté Csanád / Eötvös Loránd University Gambar asli montase: STAR és PHENIX: Brookhaven National Laboratory dan CMS és NA61: CERN

Tujuan jangka panjang dari penelitian ini adalah untuk memperdalam pemahaman kita tentang interaksi kuat yang mengatur interaksi materi kuark dan inti atom. Tingkat pengetahuan kita saat ini di bidang ini bisa diibaratkan dengan pemahaman umat manusia tentang listrik di era Volta, Maxwell, atau Faraday. Meskipun mereka memiliki gagasan tentang persamaan dasar, dibutuhkan banyak upaya eksperimental dan teoretis untuk mengembangkan teknologi yang secara signifikan mengubah kehidupan sehari-hari, mulai dari bola lampu hingga televisi, telepon, komputer, dan Internet. Demikian pula, pemahaman kita tentang interaksi kuat masih dalam tahap awal, sehingga penelitian untuk mengeksplorasi dan memetakannya menjadi penting.

Inovasi dalam Femtoskopi

Para peneliti ELTE telah terlibat dalam eksperimen pada masing-masing akselerator yang disebutkan di atas, dan pekerjaan mereka selama beberapa tahun terakhir telah menghasilkan gambaran komprehensif tentang geometri materi quark. Mereka mencapai hal ini dengan menerapkan teknik femtoskopi. Teknik ini menggunakan korelasi yang muncul dari sifat gelombang non-klasik seperti kuantum dari partikel yang dihasilkan, yang pada akhirnya mengungkap struktur femtometer medium, yang merupakan sumber emisi partikel.

Para peneliti dari Universitas Eötvös berupaya mengumpulkan data untuk eksperimen STAR di Laboratorium Nasional Brookhaven. Kredit: Universitas Máté Csanád / Eötvös Loránd

“Pada dekade-dekade sebelumnya, femtocopy dilakukan dengan asumsi bahwa materi quark mengikuti distribusi normal, yaitu bentuk Gaussian yang ditemukan di banyak tempat di alam,” jelas Marton Nagy, salah satu peneliti utama kelompok tersebut.

Namun, para peneliti Hongaria telah beralih ke proses Levy, yang juga dikenal di berbagai disiplin ilmu, sebagai kerangka kerja yang lebih umum, yang merupakan gambaran yang baik tentang pencarian mangsa oleh predator laut, proses pasar saham, dan bahkan perubahan iklim. Ciri khas dari proses-proses ini adalah pada saat-saat tertentu mengalami variasi yang sangat besar (misalnya ketika hiu mencari makanan di daerah baru), dan dalam kasus seperti itu dapat terjadi distribusi serat yang bukan distribusi normal (Gaussian).

Implikasi dan peran ELTE

Penelitian ini sangat penting karena beberapa alasan. Pertama, salah satu fitur yang paling banyak dipelajari dari pembekuan materi quark menjadi materi hadronik adalah radius femtoskopik (juga disebut radius HBT, mengacu pada efek Hanbury-Brown dan Twyss yang terkenal). Dalam astronomi), ini berasal dari pengukuran femtoskopik. Namun, ukuran ini bergantung pada asumsi geometri medium. Seperti yang dirangkum oleh Daniel Kinsis, seorang peneliti pascadoktoral di kelompok tersebut, “Jika asumsi Gaussian tidak optimal, hasil paling akurat dari penelitian ini hanya dapat diperoleh berdasarkan asumsi Lévy. Nilai eksponen Lévy, yang menjadi ciri distribusi Lévy, mungkin Mereka juga menjelaskan sifat transisi fase, dan dengan demikian variasi energi tumbukan memberikan wawasan tentang berbagai fase materi quark.

Peneliti ELTE secara aktif terlibat dalam empat eksperimen: NA61/SHINE di akselerator SPS, PHENIX dan STAR di RHIC, dan CMS di LHC. Grup NA61/SHINE ELTE dipimpin oleh Yoshikazu Nagai, dan grup CMS dipimpin oleh Gabriela Pastor; dan kelompok RHIC yang didirikan oleh Máté Csanád, yang juga mengoordinasikan penelitian femtoskopi di ELTE.

Kelompok-kelompok ini memberikan kontribusi yang signifikan terhadap keberhasilan eksperimen dalam berbagai kapasitas, mulai dari pengembangan reagen hingga perolehan dan analisis data. Mereka juga berpartisipasi dalam banyak proyek teoretis dan penelitian. “Yang unik dari penelitian femtoskopi kami adalah penelitian ini dilakukan dalam empat percobaan dengan tiga akselerator partikel – memberi kami pandangan luas tentang geometri dan kemungkinan fase materi quark,” kata Matej Chanad.

Referensi: “Metode Baru Menghitung Fungsi Korelasi Bose-Einstein dengan Interaksi Keadaan Akhir Coulomb” oleh Marton Nagy, Aleta Borza, Matej Csanad, dan Daniel Kinsis, 8 November 2023, Jurnal Fisika Eropa C.
doi: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y