Riješen dugogodišnji misterij preživljavanja atomskih jezgri u uvjetima Velikog praska

Sudari čestica u Velikom hadronskom sudaraču (LHC) u CERN-u mogu doseći temperature koje su preko sto tisuća puta veće od onih u središtu Sunca. Unatoč tome, lake atomske jezgre i njihovi antimaterijski ekvivalenti izlaze iz tog vrućeg okruženja neoštećeni, iako bi se očekivalo da će se veze koje drže jezgre na okupu raskinuti pri mnogo nižim temperaturama. Fizičari su desetljećima pokušavali odgonetnuti kako je to moguće, a kolaboracija ALICE sada je pružila eksperimentalne dokaze tog procesa, objavljene ovoga mjeseca u časopisu Nature.

Istraživači su proučavali deuterone (spoj protona i neutrona) i antideuterone (spoj antiprotona i antineutrona) nastale u visokoenergetskim sudarima protona na LHC-u. Umjesto da nastaju izravno u tim sudarima, podaci pokazuju da gotovo 90% deuterona i antideuterona nastaje naknadnom nuklearnom fuzijom čestica koje izlaze iz sudara. Ključno je otkriće da jedna od sastavnih čestica dolazi iz raspada čestice vrlo kratkog vijeka, što ukazuje na složeniji proces formiranja nego što se ranije mislilo.

Značajno i za astrofiziku

Marco van Leeuwen, glasnogovornik eksperimenta ALICE, istaknuo je kako novi rezultati predstavljaju prekretnicu za ovo područje. Oni popunjavaju veliku prazninu u razumijevanju formiranja jezgri iz kvarkova i gluona te pružaju ključne ulazne podatke za novu generaciju teorijskih modela. Otkriće ne samo da objašnjava dugogodišnju zagonetku u nuklearnoj fizici, već bi moglo imati dalekosežne implikacije za astrofiziku i kozmologiju, posebice u razumijevanju procesa u međuzvjezdanom mediju.

Lake jezgre i antijezgre nastaju i u interakcijama kozmičkih zraka, a mogu biti stvorene i u procesima koji uključuju tamnu tvar. Izgradnjom pouzdanih modela za proizvodnju lakih jezgri i antijezgri, fizičari mogu bolje interpretirati podatke o kozmičkim zrakama i tragati za mogućim signalima tamne tvari. Opažanja eksperimenta ALICE pokazuju da većina lakih jezgri ne nastaje u jednom “bljesku”, već kroz slijed raspada i fuzija koji se događaju dok se sustav hladi.

Mehanizam nastanka čestica

Do ovih zaključaka kolaboracija je došla analizom deuterona proizvedenih u visokoenergetskim sudarima protona zabilježenim tijekom drugog ciklusa rada LHC-a. Istraživači su mjerili količine gibanja (momente) deuterona i piona te su pronašli korelaciju koja ukazuje na to da pion i jedan od nukleona (proton ili neutron) deuterona zapravo potječu od raspada kratkoživuće čestice poznate kao delta rezonancija.

Delta rezonancija se raspada u bilijuntinki bilijuntinke sekunde na pion i nukleon. Taj nukleon se zatim može spojiti s drugim obližnjim nukleonima i proizvesti lake jezgre poput deuterona. Ova nuklearna fuzija događa se na maloj udaljenosti od točke glavnog sudara, u hladnijem okruženju, što novostvorenim jezgrama daje znatno veće šanse za preživljavanje. Alexander Philipp Kalweit, koordinator fizike u ALICE-u, zaključio je kako ovo otkriće ilustrira jedinstvene sposobnosti eksperimenta za proučavanje jake nuklearne sile u ekstremnim uvjetima.