Öreindahraðallinn RHIC í New York hefur að líkindum sýnt að kvarka/límeinda-rafgas var eitt sinn sem vökvi.

Þegar alheimur var einn milljónasta hluta úr sekúndu gamall var hann ekki aðeins óskiljanlega heitur, heldur samanstóð einnig af undarlegri gerð efnis, svonefndu kvarka/límeinda-rafgasi. Margt bendir til að þetta rafgas hafi ekki haft sömu eiginleika og ofurheitt gas, líkt og menn hafa talið til þessa. Nýjar háorkutilraunir sem eru framkvæmdar á rannsóknarstofu í New York benda til að gjörvallur alheimur hafi samanstaðið af eldkúlu þar sem öreindir hreyfðu sig með viðlíka hætti og í vökva.

Eðlisfræðingar hafa lengi óskað þess að rannsaka hvað gerist við efni, þegar það er hitað upp í öfgafullt hitastig og eðlileg samsetning þeirra á róteindum, nifteindum og frumeindakjörnum brotnar saman – rétt eins og var tilvikið strax eftir Miklahvell. En eini staðurinn þar sem nú á dögum er að finna aðstæður sem minna á upphaf núverandi alheims er í iðrum hinna ofurþéttu nifteindastjarna. Og slíkir staðir eru eðlilega rétt eins óaðgengilegir og Miklihvellur.

Því er eini kosturinn sá að framkvæma tilraunir þar sem í örskamma stund skapast aðstæður, sem eru eins konar agnarsmár Miklihvellur. Þetta er einungis mögulegt með því að láta atómkjarna skella saman með ógnarhraða, en við það losnar svo mikil orka að það kann að myndast kvarka/límeinda-rafgas í sekúndubrot.

Gullatóm skella saman

Árið 2000 var fyrsti búnaðurinn sem getur framkvæmt slíkar tilraunir tilbúinn. Í RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) við Brookhaven National Laboratory í New York er tveimur geislum af gullatómum hraðað í gegnum fjögurra kílómetra hring, þar til þeir nálgast ljóshraða. Síðan eru frumeindirnar látnar skella saman í rosalegum árekstri.

Við áreksturinn losnar um svo mikið orkumagn að það myndast agnarsmá eldkúla með hitastig sem er 100 þúsund sinnum hærra en í iðrum sólar. Orkuþéttnin er svo mikil að það myndast um 7.500 frjálsir kvarkar við hvern árekstur. Flestir kvarkarnir rekast eldskjótt hver á annan, en við það myndast afleiddar öreindir sem hreyfa sig frá miðju árekstursins. Eldkúlan varir aðeins í 10-23 sem nægir engu að síður til að bremsa öreindirnar lítillega. Eðlisfræðingar hafa greint að öreindirnar bremsast meira í sumar áttir en aðrar og einmitt þessi ósamhverfa útgeislun er talin til marks um að tekist hafi að skapa kvarka/límeinda-rafgas. Eldkúlan verður nefnilega aldrei alveg jöfn og þess vegna skapar hún skekkta útgeislun.

Þó eru ekki allir sérfræðingar sammála þessu og sumir telja slíkar sannanir full óbeinar. Þar sem rafgas varir aðeins í örskamma stund sé örðugt að sanna tilvist kvarka/límeinda-rafgass með öryggi og að menn reiði sig um of á fræðileg líkön yfir orkuþéttni, hitastig, eru meðal andmæla þeirra.

En hafi í raun tekist að skapa kvarka/límeinda-rafgas fela tilraunirnar í sér nokkrar furður. Fram til þessa hafa menn nefnilega reiknað með að frjálsar öreindir í rafgasinu hegði sér eins og í þunnu gasi, og að afleiddar öreindirnar sem myndast mæti afar lítilli hindrun. En þvert á móti bremsast útgeislunin með tíu sinnum meira afli en sagt hafði verið fyrir um. Samkvæmt Thomas Kirk, sem fer fyrir háorkutilraununum við RHIC, virðist nánast eins og öreindirnar hangi fastar líkt og í fljótandi hunangi. Mælingar sýna að kvarka/límeinda-rafgas er milli 30 og 50 sinnum þéttara en vænst hafi verið.

Gagnstætt allri rökvísi hreyfa öreindirnar í rafgasinu sig þannig sameiginlega, í stað þess að þeytast hver frá annarri eins og í gasi, líkt og menn væntu við svo hátt hitastig. Þetta þýðir að hreyfingum öreindanna má lýsa með jöfnum úr vatnsaflsfræði, sem lýsir jú eiginleikum vökva.

Niðurstöðurnar benda til þess að við séum langan veg frá því að skilja þetta fyrirbæri til fulls. Og þannig höfum við heldur ekki skilning á hvernig þær róteindir og nifteindir, sem við sjálf og allt annað umhverfi okkar er byggt úr, var skapað í árdaga alheims.

Að kvarka/límeinda-rafgas hegði sér líkt og vökvi hlýtur að þýða að tengingar milli kvarka og límeinda eru enn til staðar. Þannig hlýtur einhver víxlverkun að eiga sér stað þar sem rafgas er fært um að hemla aðrar öreindir. Kannski er enn flóknara eðli að finna í rafgasinu. Yfirleitt reikna menn með að fyrstu hamskiptin (þar sem efni fer úr einu ástandi yfir í annað) hafi átt sér stað á einum milljónasta úr sekúndu eftir Miklahvell. Þá söfnuðust ótengdir kvarkar og límeindir saman í róteindir og nifteindir. Eins kann að vera að innan þess tíma hafi átt sér stað fleiri umbreytingarskeið, þar sem rafgasið hafi mismunandi eiginleika.

LHC gæti veitt fleiri svör

Ef sú er raunin getum við kannski fengið úr því skorið þegar sterkeindahraðallinn Large Hadron Collider (LHC) við Cern kemst aftur í gang. Einkum eru miklar vonir bundnar við möguleika ALICE til að nema og afhjúpa nýja eiginleika kvarka/límeinda-rafgass. ALICE er 26 x16 metrar og samanstendur af ekki minna en 10 þúsund tonnum af seglum, sem eru færir um að skrásetja árekstursleifar og afleiðingar þeirra með mikilli nákvæmni.

Ráðgert er að í nokkrar vikur á ári hverju verði framkvæmdar tilraunir þar sem blýkjarnar rekast saman með næstum tólf sinnum meiri orku en í RHIC. Út frá þeirri óreiðu sem myndast hyggjast eðlisfræðingar með mælingum frá ALICE geta reiknað sig afturábak til aðstæðna í kvarka/límeinda-rafgasi.

Kannski leynast fleiri framandi hættir efnis við nægilega hátt hitastig og þéttni. Það er jafnvel mögulegt að kvarkarnir brotni upp í áður óþekktar öreindir og að mynd okkar af minnstu fyrirbærum hluta öðlist algerlega nýjar víddir.