Kvarkovi ostavljaju “trag” u praoceanima svemira: CMS i MIT donijeli najčišći dokaz da se kvark-gluonska plazma ponaša kao tekućina
U prvim mikrosekundama nakon Velikog praska svemir nije bio ispunjen atomima, zvijezdama ni čak protonima i neutronima, nego ekstremno vrućom i gustom mješavinom kvarkova i gluona. Ta faza, poznata kao kvark-gluonska plazma (QGP), smatra se najranijim oblikom materije: kratko je postojala dok se svemir hladio, a zatim su se kvarkovi i gluoni “zaključali” u hadrone, građevne blokove današnje tvari. Upravo zato je QGP jedna od rijetkih veza između temeljne fizike čestica i kozmologije – isti se zakoni mogu testirati u laboratoriju i zatim ugraditi u širu sliku o tome kako se iz početnog stanja razvila struktura svemira.
Sudari olovnih iona kao prozor u najraniji svemir
Kako bi razumjeli taj početni “recept”, fizičari u CERN-u u Velikom hadronskom sudaraču (LHC) sudaraju teške ione – najčešće jezgre olova – pri brzinama bliskim brzini svjetlosti. U tim sudarima, na djelić djelića sekunde, nastaje kapljica QGP-a s temperaturama koje se mjere u bilijunima stupnjeva. Iako traje iznimno kratko, tragovi njezina ponašanja ostaju zapisani u raspodjeli čestica koje izlete iz sudara i registriraju ih detektori poput CMS-a (Compact Muon Solenoid). Analize se oslanjaju na to da statistika velikog broja sudara, uz preciznu rekonstrukciju putanja i energija, omogućuje da se iz šuma događaja izdvoji stabilan obrazac – svojevrsna “fotografija” najegzotičnijeg stanja materije koje danas možemo proizvesti.
Dugogodišnja rasprava: raspršenje čestica ili kolektivni tok?
Jedno od ključnih pitanja u fizici jakih interakcija bilo je kako QGP reagira kada kroz nju proleti “tvrda” čestica visoke energije, primjerice kvark koji nastaje u sudaru. Ako se QGP ponaša kao skup labavo povezanih čestica, prolazak kvarka trebao bi izgledati kao niz nasumičnih sudara i raspršenja, bez urednog uzorka u “mekim” česticama niskog impulsa. No ako je QGP doista kolektivni, gotovo “savršeni” fluid s vrlo malom viskoznošću, tada bi prolazak kvarka trebao izazvati odgovor sličan valu ili buđenju: energija koju kvark izgubi povlači okolni medij i pretvara se u organizirani tok i poremećaje gustoće koji se šire poput valova u vodi.
Upravo taj hidrodinamički wake fizičari su godinama pokušavali uhvatiti u podacima, ali se signal često gubio u pozadini drugih procesa. Pritom je ključni problem bio što se kvarkovi tipično stvaraju u parovima s antičesticom: kada jedna mlaznica ide u jednom smjeru, druga ide u suprotnom, a njihovi se tragovi u složenom sudaru mogu međusobno prekriti. Kako bi se dobio “čist” slučaj jedne mlaznice i jednog jasnog prolaza kroz medij, trebalo je pronaći događaj u kojem se smjer kvarka može označiti bez stvaranja “parnjaka” koji bi zasjenio sliku.
Zašto je Z bozon ključan: “neutralna oznaka” bez utjecaja na medij
Međunarodni tim unutar CMS suradnje, u kojem važnu ulogu imaju fizičari s MIT-a, fokusirao se na rijedak, ali vrlo čist potpis: događaje u kojima se u istom sudaru proizvedu Z bozon i kvark visoke energije. Z bozon je neutralna čestica slabe interakcije koja prolazi kroz QGP praktički neometano, bez ostavljanja vlastitog “vala”. To ga čini idealnom “oznakom” (tagom) koja pokazuje gdje je u događaju nastala visokoenergetska kvarkovska mlaznica, a istodobno sama ne zamagljuje sliku medija.
Logika je jednostavna: Z bozon i kvark nastaju “leđa o leđa”, u suprotnim smjerovima. Smjer Z bozona daje precizan vektor prema kojem se može definirati koordinatni sustav analize. Sve što se u QGP-u dogodi na suprotnoj strani, gdje prolazi kvark i njegova mlaznica, može se u većoj mjeri pripisati upravo interakciji kvarka s medijem. U praksi to znači da se gledaju raspodjele naboja i energije čestica niskog poprečnog impulsa u odnosu na kut i pseudorapiditet prema Z bozonu, te se uspoređuju s referentnim situacijama u kojima QGP nije prisutna.
Od 13 milijardi sudara do oko 2000 “zlatnih” događaja
U analizi podataka prikupljenih u teškim ionskim sudarima, CMS tim je pretražio oko 13 milijardi događaja te identificirao približno 2000 slučajeva sa Z bozonom koji zadovoljava stroge kriterije visoke poprečne količine gibanja, u rasponu od 40 do 350 GeV. Analiza se oslanjala na podatke PbPb sudara prikupljene 2018. godine pri energiji sudara po nukleonskom paru od 5,02 TeV, uz integriranu luminost od oko 1,67 nb⁻¹, te na usporedne pp podatke iz 2017. godine pri istoj energiji (oko 301 pb⁻¹). Nakon odabira događaja, istraživači su “preveli” svaki sudar u mapu raspodjele čestica niskog pT u odnosu na smjer Z bozona, tražeći asimetrije koje bi bile potpis odgovora medija na prolazak mlaznice.
Rezultat je obrazac koji fizičari opisuju kao konzistentnu modifikaciju raspodjela na strani suprotnoj Z bozonu: pojavljuju se istodobno pojačanja i osiromašenja u određenim kutnim područjima, što odgovara slici “povlačenja” medija i stvaranja područja manjka (hole) i viška (recoil) čestica. U CMS-ovim preliminarnim rezultatima objavljenima 9. listopada 2024. istaknuto je da se u PbPb sudarima vidi značajna promjena azimutnih i pseudorapiditetnih raspodjela u odnosu na pp referencu, upravo u niskom pT području oko 1–2 GeV. U finalnoj, recenziranoj verziji objavljenoj kao pismo u časopisu Physics Letters B naglasak je stavljen na interpretaciju: opaženi uzorci su u skladu s hidrodinamičkim “buđenjem” koje nastaje kada mlaznica iscrpi energiju iz kvark-gluonske plazme, a medij potom kolektivno odgovori.
Što zapravo znači “val” u kvark-gluonskoj plazmi
U klasičnoj tekućini val nastaje zato što se poremeti ravnoteža: tijelo u kretanju potiskuje okolni medij, stvarajući područja viška i manjka gustoće, a zatim se poremećaj širi i prigušuje. U QGP-u je slika kvantna i relativistička, ali je analogija korisna: kvark ili mlaznica gubi energiju i impuls u mediju, a QGP na to odgovara kolektivnim tokom i redistribucijom energije u “meke” čestice niskog impulsa. Upravo u tom mekom sektoru – koji je tradicionalno teško povezati s točno određenim “tvrdom” česticom – traži se dokaz da plazma ne reagira nasumično, nego kao cjelina.
U samom CMS radu naglašava se da su opažene korelacije u skladu s očekivanjima hidrodinamičkog wakea: kada mlaznica “izvuče” energiju iz plazme, iza nje ostaje područje osiromašenja, dok se dio medija ubrzava i “odguruje” u druge smjerove, stvarajući višak niskopT čestica na karakterističnim kutovima. U praksi to izgleda kao složen uzorak “splasheva” i “vrtloga” u distribucijama, ali ključna poruka je jednostavna: reakcija nije nasumična, nego kolektivna i fluidna. Drugim riječima, QGP se ne ponaša kao razrijeđeni oblak čestica, nego kao gusto stanje u kojem se poremećaji šire kroz medij i ostavljaju prepoznatljiv otisak.
Hibridni modeli i zašto se podaci poklapaju s teorijom
Značaj rezultata nije samo u tome što je signal uočen, nego i u tome što se može staviti u izravan odnos s teorijskim predviđanjima. U opisima QGP-a danas se često kombiniraju dva svijeta: kvantni opis mlaznica (partonskih showera) koji nastaju u tvrdom sudaru i hidrodinamički opis medija koji se ponaša kao tekućina. Takvi “hibridni” pristupi omogućuju da se energija izgubljena iz mlaznice ne tretira kao nestala, nego kao nešto što završava u kolektivnom toku QGP-a. U arXiv verziji rada i u objavljenom pismu naglašava se da su opažene modifikacije kompatibilne s očekivanjima upravo takvih modela, koji predviđaju istodobno postojanje “rupe” u smjeru mlaznice i “odgovora” medija kroz pojačanje mekih čestica.
Fizičari pritom upozoravaju da se radi o prvom dokazu u ovom specifičnom kanalu mjerenja: korelacije Z bozona s mekim hadronima u teškim ionskim sudarima. Snaga metode je u tome što Z bozon djeluje kao “tihi svjedok” događaja, pa se iz njega može preciznije rekonstruirati smjer i energija mlaznice koja je prošla kroz plazmu, bez dodatnog zagađenja signala. Takav pristup smanjuje dvosmislenosti koje su mučile ranije pokušaje uparivanja dviju suprotnih mlaznica, gdje je bilo teško razdvojiti “tko je kome zasjenio trag”.
Zašto je ovo važno za širu sliku ranog svemira
Dok je QGP već dulje vrijeme opisana kao medij koji se ponaša kao gotovo “savršena tekućina”, dokazivanje kolektivnog odgovora na pojedinačnu česticu visoke energije nosi dodatnu težinu. Takva mjerenja daju pristup transportnim svojstvima plazme: koliko učinkovito prenosi energiju i impuls, koliko se brzo poremećaj prigušuje te kako se energija raspodjeljuje u prostoru i vremenu. To su parametri koji stoje iza pojmova poput viskoznosti i difuzije, a u ekstremnim uvjetima QGP-a ključni su za razumijevanje kako se “tvrdi” procesi (nastanak mlaznica) prepliću s “mekim” kolektivnim ponašanjem medija.
U širem smislu, ovo je i test slike ranog svemira. Prema CERN-ovim pregledima povijesti i programa teških iona, kvark-gluonska plazma dominirala je svemirom manje od deset mikrosekundi nakon Velikog praska. U tom razdoblju materija je bila toliko vruća i gusta da kvarkovi i gluoni nisu mogli biti vezani u protone i neutrone. Ako se QGP tada doista ponašala kao tekućina, njezina kolektivna dinamika mogla je utjecati na način na koji se energija i gustoća redistribuiraju dok se svemir hladi i prelazi u hadronsku fazu. Današnja mjerenja ne “rekonstruiraju” izravno kozmološki tijek, ali izravno testiraju fiziku koja je u njemu morala djelovati.
Što slijedi: preciznije “mapiranje” buđenja u plazmi
Autori naglašavaju da metoda sa Z bozonom otvara vrata sustavnijim analizama. Povećanjem uzorka i analizom različitih razreda centralnosti sudara moguće je preciznije odrediti geometriju i “debljinu” medija kroz koji mlaznica prolazi. Usporedbom sa simulacijama moći će se procijeniti koliko se brzo wake širi, koliko dugo opstaje prije nego se “izravna” u šumu čestica te kako ovisi o energiji i vrsti početnog partona. S praktične strane, to je put prema preciznijem određivanju svojstava QGP-a na način koji je robustan na eksperimentalne i teorijske neizvjesnosti, jer se oslanja na česticu (Z bozon) koja je iznimno dobro “kalibrirana” i slabo osjetljiva na medij.
Za publiku izvan uskog kruga stručnjaka, najveća poruka je jasna: u laboratoriju se sve uvjerljivije pokazuje da je “prvobitna juha” svemira doista bila juha – medij koji teče i reagira kao cjelina. Kada kvark projuri kroz tu kapljicu nastalu u sudaru olova, iza sebe može ostaviti trag koji se čita poput vala na vodi, samo u mjerilu u kojem su temperature, gustoće i brzine izvan svakodnevnog iskustva, a zaključci se izvlače iz preciznih statističkih uzoraka milijardi sudara.
Izvori:- Physics Letters B – otvoreno dostupno pismo CMS suradnje o korelacijama Z bozona i hadrona te dokazima probe-induced energije i odgovora medija (poveznica)
- arXiv – preprint CMS-HIN-23-006 (arXiv:2507.09307) s opisom mjerenja i interpretacije hidrodinamičkog wake signala (poveznica)
- CMS Public Results – preliminarni rezultat HIN-23-006 (9. listopada 2024.) i sažetak opaženih modifikacija u PbPb sudarima (poveznica)
- CERN – pregled “CERN70: Tasting the primordial soup” o kvark-gluonskoj plazmi i ranom svemiru (poveznica)
- U.S. Department of Energy – “The Big Questions: Barbara Jacak on the Quark-Gluon Plasma” o svrsi i metodama stvaranja QGP-a u laboratoriju (poveznica)
Kreirano: četvrtak, 29. siječnja, 2026.
Pronađite smještaj u blizini