Acceleratoren RHIC i New York har nu genskabt stof i den tilstand, som fandtes et mikrosekund efter Big Bang. Kvark-gluon-stoffet er til teoretikernes overraskelse ikke et plasma, men en væske. Så den folkelige betegnelse »universets ursuppe« rammer lige i plet.

Lige efter Big Bang voksede det nyfødte univers på under et nanosekund fra at være langt mindre end en subatomar partikel til en udstrækning på flere kilometer.

Under den fortsatte udvidelse var der stadig mere end tusinde milliarder grader varmt, og i et glimt eksisterede stoffet som frie kvarker, elektroner og neutrinoer i en suppe af gluoner: de limpartikler som overfører den stærke kernekraft mellem kvarkerne.

Blot et mikrosekund efter skabelsen var universet allerede blevet så stort og afkølet, at gluonerne fangede kvarkerne og bandt dem sammen tre og tre i protoner og neutroner, som er byggestenene i atomkerner. Lige siden har ingen kvarker været frie i det synlige univers.
En serie eksperimenter i årene 2000-2003 på Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ved Brookhaven National Laboratory i New York har nu genskabt universets ursuppe af frie kvarker og gluoner. Gennem årtier har teoretikere forudsagt, at ursuppen var en gas, et kvark-gluon-plasma, men analyserne af forsøgene viser, at ursuppen var en væske.

Det overraskende gennembrud blev offentliggjort i denne uge på årsmødet i American Physical Society. Opdagelsen af kvark-gluon-væsken betyder ikke nødvendigvis, at den teoretiske forudsigelse om eksistensen af et kvark-gluon-plasma lige efter Big Bang er et vildskud, mener professor Jens Jørgen Gaardhøje fra Niels Bohr Institutet:

»Det er meget sandsynligt, at plasmaet opstod først ved højere energier, og under universets fortsatte udvidelse og afkøling blev plasmaet så omdannet til en væske ved lidt lavere energier inden den afgørende faseovergang, hvor kvarkerne blev samlet i protoner og neutroner. I så fald vil det måske blive muligt at frembringe et kvark-gluon-plasma, der opfører sig som en ideal gas, når vi i 2008 begynder at lave tungionsforsøg på Cerns nye LHC-accelerator, hvor energierne bliver 30 gange højere end på RHIC«.

Sammen med sin gruppe har Jens Jørgen Gaardhøje bygget de centrale instrumenter til en af de fire detektorer på RHIC, og gruppen konstruerer nu instrumenter til den kæmpemæssige Alice-detektor på Cern.

Som ved universets skabelse eksisterede kvark-gluon-væsken kun i et ultrakort glimt inden faseovergangen til almindeligt stof.

»Meget tyder på, at overgangen var en glidende anden ordens faseovergang, som når en magnet mister sin magnetisme ved stigende temperatur, snarere end en abrupt første ordens faseovergang, som når kogende vand skifter tilstand til damp,« siger Jens Jørgen Gaardhøje.

Hvis dét holder stik, passer en anden ordens faseovergang godt med astronomiske og kosmologiske observationer. Ved en første ordens faseovergang kan der opstå små adskilte zoner som bobler af damp i flydende vand. Sådanne små separate områder i det nyfødte univers kunne have resulteret i dannelse af galakser med et lidt andet forhold mellem brint og helium end flertallet af galakserne, hvilket astronomerne ikke har set tegn på.

Acceleratoren RHIC i New York har nu genskabt stof i den tilstand, som fandtes et mikrosekund efter Big Bang. Kvark-gluon-stoffet er til teoretikernes overraskelse ikke et plasma, men en væske. Så den folkelige betegnelse »universets ursuppe« rammer lige i plet.

Faktisk blev kvark-gluon-væsken skabt allerede i 2001 via frontale sammenstød mellem tunge guldkerner i den store accelerator med en omkreds på 3,8 kilometer.

Et guldatom indeholder 118 neutroner og 79 protoner, som hver består af tre kvarker. Når to energirige guldatomer kolliderer ved nær lysets hastighed, brager mange kernepartikler direkte ind i hinanden. Ved sammenstødet farer de to guldkerner tværs gennem hinanden, hvorved gluonbindingerne brydes, og der dannes par af kvarker og antikvarker.

Når der inden for et lille område produceres tilstrækkeligt frie kvarker og gluoner, som vekselvirker kraftigt med hinanden, opstår kvark-gluon-væsken.

Allerede på det tidspunkt vidste fysikerne, at forsøgene havde skabt ekstremt høje stoftætheder og temperaturer på tusind milliarder grader, så der var en god chance for, at ursuppen var genskabt. Tilmed var der endnu et stærkt indicium.

Når to kvarker støder frontalt sammen, dannes der normalt to jets af sekundære partikler, som udsendes vinkelret på kollisionsretningen. Men ved guld-guldkollisionerne viste detektorerne nogle gange kun en enlig jet. Fænomenet opstår, når to kvarker kolliderer nær kanten af den varme ursuppe. Så sendes den ene jet ud fra kanten, mens dens partner bliver opslugt på sin vej gennem kvark-gluon-stoffet.

Men der var stadig løse ender. Måske skyldtes de manglende jets særlige forhold i guldkernerne inden sammenstødet snarere end dannelsen af en ny stoftilstand ved selve kollisionen.

Derfor gennemførte fysikerne på RHIC i 2003 et anderledes forsøg, hvor guldkerner kolliderede med kerner af tung brint. Her skyder den lille brintkerne et hul gennem det store guldatom, og energitætheden bliver ikke nær høj nok til, at der kan dannes kvark-gluon-stof. Netop derfor kunne forsøgene løse gåden om de manglende jets i guld-guldkollisionerne. For hvis årsagen skyldes udgangstilstanden i den store guldkerne, ville der stadig mangle jets. Men det gjorde der ikke.

Sagen var klar, mente mange teoretikere. Men eksperimentalfysikerne tøvede og var uvillige til at annoncere det store gennembrud. Nok viste de, at forsøgene havde skabt stof i en ny tilstand, men bæstet opførte sig ikke som ventet.

Acceleratoren RHIC i New York har nu genskabt stof i den tilstand, som fandtes et mikrosekund efter Big Bang. Kvark-gluon-stoffet er til teoretikernes overraskelse ikke et plasma, men en væske. Så den folkelige betegnelse »universets ursuppe« rammer lige i plet.

I et plasma opfører partiklerne sig som i en gas; de bevæger sig forbi hinanden uden at vekselvirke ret meget. Analyserne viste imidlertid, at kvarkerne og gluonerne vekselvirkede meget stærkt, og at stoffet i centrum af guld-guldkollisionen opførte sig som ét stort kollektivt objekt i stil med en dråbe vand. Men i modsætning til almindelige væsker, hvor molekylerne bevæger sig tilfældigt, var der en ekstremt høj grad af koordination mellem partiklerne i deres bevægelser.

Bevægelserne kan beskrives med hydrodynamiske ligninger for teoretisk forudsagte »perfekte« væsker, hvor viskositeten er så lav, at der ekstremt hurtigt opstår termisk ligevægt på grund af den meget høje grad af vekselvirkninger mellem partiklerne.

»RHIC har skabt den mest perfekte væske, som nogen sinde er observeret eksperimentelt«, siger Samuel Arenson, vicedirektør ved Brookhaven National Laboratory.

Jens Jørgen Gaardhøje forklarer:

»Man har ved tidligere kollisonsforsøg med tunge ioner forsøgt at beskrive den observerede stoftilstand i det centrale kollisionspunkt med hydrodynamiske ligninger, men uden held. At det nu er lykkedes, er sammen med de tidligere observationer af de manglende jets meget stærke beviser for, at eksperimenterne på RHIC har skabt flydende ursuppe«.

Eksistensen af en kvark-gluon-væske med en ekstremt høj grad af koordination mellem partiklerne kan forklares ud fra teorien om den stærke kernekraft. Den stærke kernekraft binder kvarkerne sammen i protoner og neutroner, og den virker via gluonerne, som er ladede partikler med en særlig kerneladning, som fysikerne kalder for farve. Ladningen medfører, at styrken af gluonbindingen mellem kvarkerne øges, jo mere man forsøger at rykke dem fra hinanden.

Ved forsøgene på RHIC har stoftætheden i kollisionspunktet været så stor, at kvarkerne i stedet er blevet presset ekstremt tæt sammen.

»Her forudsiger teorien, at den stærke vekselvirkning falder, når kvarker kommer meget tæt på hinanden. Det har gjort kvarkerne frie og sat dem i stand til at glide forbi hinanden som molekyler i en væske«, siger Jens Jørgen Gaardhøje.

At kvark-gluon-stof kan eksistere som en væske kan få betydning for de teoretikere, som arbejder med at udvikle »teorien om det hele«, som omfatter elementarpartiklerne, de stærke og de svage kernekræfter, den elektromagnetiske kraft og tyngdekraften.

Teorien bygger på, at den fundamentale enhed i naturen er små superstrenge. Ud fra strengteori kan man udregne en grænse for kvark-gluon-væskens viskositet, og denne grænse er tæt på den viskositet, fysikerne slutter sig til fra eksperimenterne.

»Der ser nu ud til at tegne sig en sammenhæng mellem de nye resultater på RHIC og superstrengteorierne, som både er overraskende og opmuntrende«, siger lederen af det amerikanske energiministeriums Office of Science, Raymond Orbach.