Når materiale opvarmes, smelter det. Det samme sker for atomkernernes byggestene: protoner og neutroner.

Når temperaturen og energien når over en bestemt grænse, ’smelter’ protoner og neutroner, og de indre dele i form af kvarker og gluoner frigives.

Forskere fra Indien, Kina og USA har nu eksperimentelt bestemt, at ’smeltetemperaturen’ er 2.000 milliarder kelvin – som stort set er det samme i grader celsius.

Hver proton eller neutron består af tre kvarker, der holdes sammen af gluoner, som udtrykker den stærke kraft også kaldet farvekraften.

Den stærke kraft er en af de fire kendte naturkræfter sammen med tyngdekraften, den elektromagnetiske kraft og den svage kernekraft, der bl.a. forklarer radioaktivt henfald.

Teorien stemmer
Kvantekromodynamik (QCD) er den teori, som fysikerne har udviklet til at beskrive den stærke kraft.

Teoretiske beregninger baseret på QCD har vist, at man skal have en energi omkring 175 millioner elektronvolt, svarende til en temperatur på 2.000 milliarder kelvin, for at frie kvarker og gluoner kan frigives – populært beskrevet svarende til, at protoner og neutroner smelter, som Lawrence Berkeley National Laboratory beskriver det i en pressemeddelelse.

Omregningen mellem energi og temperatur er E = kT, hvor k er Boltzmanns konstant.

Teoretikeren Sourendu Gupta fra Tata Institute of Fundamental Research i Mumbai, Indien, har nu sammen med eksperimentalfysikere, der har anvendt Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ved Brookhaven National Laboratory, fundet frem til en eksperimental bekræftelse af den teoretiske forudsigelse.

De har offentliggjort deres resultat i denne uges udgave af Science.

Ved RHIC har forskere gennem flere år gennemført forsøg, hvor man smadrer energirige guldioner mod hinanden for at frigive kvarker og gluoner. Disse eksperimenter har også haft deltagelse af danske forskere fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

Det er de seneste eksperimentelle data fra RHIC, som Sourendu Gupta har analyseret med nye metoder.

En ny udfordring for teoretikerne
Det har været en ganske kompliceret sag at udtrække information om den højeste temperatur, hvorved sædvanligt stof opbygget af protoner og neutroner kan eksistere. Men opgaven er langtfra afsluttet.

Berndt Müller fra Duke University i North Carolina, USA skriver i en kommentar i Science, at der inden for den nærmeste tid kan ventes yderligere detaljer om overgangen fra sædvanligt stof til kvark-stof.

»For at kunne drage fuld nytte af disse data og bekræfte konklusionerne fremsat af Gupta, vil det være nødvendigt at udvikle et omfattende teoretisk grundlag for dannelse, udvikling og ’udfrysning’ af termodynamiske fluktuationer i stof, der dannes ved kernekollisioner, der foregår med relativistiske hastigheder,« skriver Berndt Müller.

Den opgave kan nok tage pusten fra de fleste, og Berndt Müller mener da også, at de teoretiske udfordringer svarer i omfang til eksperimentelle udfordringer.

Fokus flytter til Cern
Ved Cerns Large Hadron Collider gennemføres årligt tilsvarende eksperimenter som ved RHIC, men med anvendelse af blyioner.

Eksperimenterne foregår med endnu højere energi end ved RHIC, og forskerne håber derved at få endnu mere viden om den særlige kvark-gluon-tilstand, som eksisterede i det første mikrosekund efter Big Bang.

De næste eksperimenter ved LHC med blyioner er planlagt til november i år.