O nouă stare a materiei a fost descoperită la LHC

Cel mai recent experiment realizat la LHC s-a soldat cu un rezultat neaşteptat: coliziunile au generat un „produs” despre care oamenii de ştiinţă spun că ar putea reprezenta o nouă stare a materiei.

Noul tip de materie este numit color-glass condensate (CGC) şi este un „val” de gluoni, particule elementare asociate forţelor puternice care ţin laolaltă quarcii (particulele din interiorul protonilor şi al neutronilor). Densitatea acestui „roi” de gluoni este foarte mare (de unde termenul de „condensat”), iar unele dintre proprietăţile sale amintesc de comportamentul sticlei şi al altor materiale asemănătoare, caracterizate printr-o structură internă dezordonată  (de aici termenul glass - sticlă - din denumire.). În ceea ce priveşte „culoarea” (color), ea se referă la tipul de încărcătură pe care o poartă quarcii şi gluonii şi care descrie interacţiunile lor în interiorul neutronilor şi al protonilor. „Culoarea”, în acest context, nu are nimic de-a face cu percepţia vizuală a unei culori, ci este un termen imaginat de fizicieni pentru a caracteriza variaţiile unor proprietăţi ale quarcilor şi gluonilor, proprietăţi care se manifestă doar în interiorul nucleului atomic.

Cercetătorii care au experimentat un anumit tip de coliziuni de particule nu se aşteptau să obţină ca rezultat acest tip de materie. Totuşi, acest rezultat ar putea explica anumite comportamente ciudate observate la unele particule în interiorul tunelului de coliziuni al LHC.

În cadrul recentului experiment, specialiştii au accelerat protoni (unul dintre tipurile de particule din care sunt alcătuiţi atomii, mai exact nucleul atomic) şi ioni de plumb (atomi de plumb cărora le-au fost îndepărtaţi electronii, rămânând fiecare cu 82 de protoni) şi i-au făcut să se ciocnească unii de ceilalţi.  Exploziile rezultate au topit şi dezintegrat aceste particule, dând naştere unor noi tipuri de particule. Aşa cum era de aşteptat, cele mai multe dintre acestea s-au împrăştiat în toate direcţiile, cu o viteză apropiată de cea  a luminii.

Dar oamenii de ştiinţă au observat că, pe lângă acest efect obişnuit şi aşteptat, s-a mai întâmplat ceva:  s-au format perechi de particule care au fost azvârlite de la locul coliziunii în direcţii coordonate, nu la întâmplare. 

„Cumva, se deplasează în aceeaşi direcţie, chiar dacă nu e clar cum îşi comunică una alteia direcţia. Asta i-a surprins pe mulţi, inclusiv pe noi”,  a declarat fizicianul Gunther Roland de la MIT, unul dintre specialiştii care au analizat coliziunile.

Un model similar poate fi observat atunci când două particule grele, precum doi ioni de plumb, se ciocnesc între ele. În acest caz, apare ceea ce savanţii numesc plasma quarc-gluonică, un „roi” de particule cu temperaturi extrem de mari, similară cu cea ivită în Univers imediat după Big Bang. Acest „roi” poate azvârli particule în aceeaşi direcţie, explicându-se astfel deplasarea lor pe traiectorii coordonate.

Dar efectul de plasmă quarc-gluonică nu e posibil în cazul coliziunii dintre ionii de plumb şi protoni, care a avut loc în cadrul acestui studiu.

De aceea, certcetătorii cred că aici este vorba despre o stare a materiei cu totul diferită, denumită de ei color-glass condensate, care s-ar putea comporta în acest mod. „Roiul” dens de gluoni din color-glass condensate poate şi el să „măture” particule în aceeaşi direcţie, sugerează fizicianul Raju Venugopalan, de la Brookhaven National Laboratory.  Raju Venugopalan este primul om de ştiinţă care a prezis teoretic existenţa acestei stări a materiei, ce poate apărea şi după coliziunile proton-proton.

Mecanismul ar putea fi legat de o proprietate stranie a particulelor, numită entanglare cuantică (sau cuplare cuantică): două particule entanglate rămân conectate (într-un mod încă neînţeles) chiar după ce sunt separate fizic, astfel încât acţiunile uneia o influenţează şi pe cealaltă, chiar la mare distanţă.

Existenţa gluonilor entanglaţi din color-glass condensate, crede Raju Venugopalan, ar explica modul în care particulele ejectate de la punctul de coliziune ar putea comunica între ele, transmiţându-şi informaţii despre direcţia în care se deplasează.

Ciudatul fenomen este, aşadar, un rezultat neaşteptat al coliziunilor protoni-ioni de plumb, care fuseseră realizate în LHC cu alt scop: să servească drept punct de referinţă pentru realizarea unor comparaţii cu alte tipuri de coliziuni. Descoperirea va fi descrisă în numărul viitor al publicaţieiPhysical Review B.