Nova mjerna tehnika s opremom koja će uskoro biti dostupna u CERN-u

Stvaranje najkraćeg svjetlosnog pulsa moglo bi se postići u sudarima teških iona koji se odvijaju u CERN-u. Ova mogućnost je demonstrirana korištenjem računalnih simulacija na Tehničkom sveučilištu u Beču. Pulsevi su tako kratki da ih je naprosto nemoguće izmjeriti pomoću današnje mjerne opreme. Ipak, rješenje se pojavilo u obliku metode koja je predložena kako bi se, korištenjem detektora čije se postavljanje u CERN-u očekuje u 2018. godini, stvorila najbrža “štoperica“ za mjerenje najkraćih svjetlosnih pulseva.

Maleno, kratko i vruće

Fenomeni koji se odvijaju u relativno kratkim vremenskim intervalima često se proučavaju korištenjem ultra kratkih laserskih pulseva. Danas je, naime, situacija takva da je moguće stvoriti pulseve, odnosno titraje, koji su red veličina atosekunde(10−18 s). Vrlo je vjerojatno da će uskoro ovi rekordi biti oboreni: “Atomske jezgre u akceleratorima čestica poput LHC-a (Large Hadron Collider), akceleratora u CERN-u, ili primjerice RHIC-a (Relativistic Heavy Ion Collider), akceleratora u Brookhavenu, mogu stvoriti svjetlosne pulseve koji su čak i do milijun puta kraći nego što je to sada moguće.“ govori Andreas Ipp sa Tehničkog sveučilišta u Beču.

U ALICE-u (A Large Ion Collider Experiment), eksperimentu koji se provodi u CERN-u, brzina pri kojoj se sudaraju jezgre olova je približna brzini svjetlosti. Ostaci razasutih jezgri, zajedno s novim česticama koje su stvorene u sudaru, formiraju kvark-gluonsku plazmu, stanje materije toliko visoke temperature da se čak neutroni i protoni tope. Njihovi gradbeni blokovi (gluoni i kvarkovi) mogu se kretati nezavisno bez da su međusobno povezani. Kvark-gluonska plazma egzistira samo nekoliko joktosekundi(10−24s).

Ideje iz astronomije

Iz kvark-gluonske plazme stvorene u akceleratoru čestica mogu se emitirati svjetlosni pulsevi koji sadrže vrijedne informacije o njoj samoj. Međutim, problem leži u nemogućnosti konvencionalnih mjernih tehnika da izmjere promjene čije je trajanje u joktosekundama. “Zbog toga smo odlučili iskoristiti HBT (Hanbury-Brown and Twiss) efekt, ideju koja je izvorno razvijena za potrebe astronomskih mjerenja.“ kaže Andreas Ipp.

U HBT eksperimentu, mjerena je korelacija između dva različita detektora svjetlosnih pulseva. Na ovaj način omogućeno je vrlo precizno mjerenje promjera zvijezda. “Umjesto proučavanja prostornih udaljenosti, na ovaj se način mogu mjeriti i vremenski intervali.“ kaže Andreas Ipp. On i kolega Peter Somkuti su izveli proračune koji pokazuju da bi pulseve kvark-gluonske plazme koji su veličine joktosekunde bilo moguće izmjeriti primjenom HBT eksperimenta. “Bilo bi to vrlo teško, ali ipak izvedivo“, govori Ipp. Takav eksperiment ne bi zahtijevao dodatne skupe detektore, već bi se mogao izvesti pomoću naprijed isturenog “forward“ kalorimetra, čije se postavljanje u CERN-u očekuje oko 2018. godine. Na ovaj način eksperiment ALICE bi mogao postati najtočnija svjetska “štoperica“.

Nepoznanice vezane uz plazmu

Postoji još mnogo otvorenih pitanja vezanih uz fiziku kvark-gluonske plazme. Ona posjeduje nevjerojatno nisku viskoznost i rjeđa je od ijedne tekućine koju poznajemo. Čak i ako započinje u stanju neravnoteže, plazma postiže termalnu ravnotežu u izuzetno kratkom periodu. Nove vrijedne spoznaje kojima će rezultirati proučavanje svjetlosnih pulseva koje emitira kvark-gluonska plazma mogle bi pomoći u boljem razumijevanju stanja stvari.

U budućnosti, svjetlosni pulsevi bi se možda čak mogli koristiti za nuklearna istraživanja. “Eksperimenti u kojima se koriste dva svjetlosna pulsa su česti u kvantnoj fizici.“ kaže Ipp. “Prvi puls mijenja stanje objekta koji se proučava, a drugi koji se koristi ubrzo poslije, mjeri promjenu.“ Kod svjetlosnih pulseva čiji je trajanje u joktosekundama, ovaj već iskušani pristup može se koristiti u područjima koja su sve do sada bila potpuno nedostupna u ovakvom tipu istraživanja.

Razumijevanje strukture kvark-gluonske plazme ključ je u rasvjetljavanju evolucije svemira. Naime, zadnjih desetak godina znanstvenici diljem svijeta vrše eksperimente u najsnažnijim akceleratorima čestica kako bi pokušali reproducirati upravo onaj trenutak milijuntog djelića sekunde poslije Velikog praska kada se je svemir sastojao samo od praiskonske “vruće juhe“ elementarnih čestica nazvanih kvarkovi i gluoni. Nekoliko mikrosekundi kasnije, ove čestice su se počele hladiti te formirati protone i neutrone, gradbene blokove materije.

 

Izvor: Vienna University of Technology

Leave a Comment