Στο μικρόκοσμο. Τα σωματίδια

Συγκρούσεις ιόντων Μολύβδου που παράγονται από το πείραμα NA49

Οι φυσικοί στοιχειωδών σωματιδίων μελετούν τα δομικά στοιχεία της ύλης και τις δυνάμεις που εμφανίζονται ανάμεσά τους, με τις συγκρούσεις σωματιδίων της ύλης σε πολύ υψηλές ενέργειες. Οι συγκρούσεις δημιουργούν τα θεμελιώδη συστατικά που δεν υπάρχουν πια στη συνήθη ύλη, τα οποία ήταν όμως παρόντα στο δραστήριο πρώιμο Σύμπαν.

Συγκεντρώνοντας μια μεγάλη ποσότητα ενέργειας στο μικρότερο δυνατό όγκο, δημιουργείται ίσος αριθμός σωματιδίων ύλης και αντιύλης από καθαρή ενέργεια σύμφωνα με την εξίσωση E=mc². Οι συγκεντρώσεις ενέργειας που δημιουργούνται αντιστοιχούν στις συνθήκες που επικρατούσαν στο πρώιμο Σύμπαν, λιγότερο από το ένα δέκατο του ενός χιλιοστού του ενός εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου (10^-10 s) μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Με αυτό τον τρόπο, η φυσική στοιχειωδών σωματιδίων εξετάζει συστηματικά τις συνθήκες του πολύ πρώιμου Σύμπαντος, ελάχιστα κλάσματα του δευτερολέπτου αφότου αυτό ξεκίνησε να υπάρχει.

Οι μεγαλύτερες συγκεντρώσεις ενέργειας που έχουν επιτευχθεί μέχρι σήμερα στο CERN είναι με πυρήνες ατόμων μολύβδου, που έχουν επιταχυνθεί στο υπερσύγχροτρο πρωτονίων (SPS). Σε αυτές τις συγκρούσεις, η συγκέντρωση ενέργειας μπορεί να επαρκεί προκειμένου τα νουκλεόνια (πρωτόνια και νετρόνια) στο εσωτερικό του πυρήνα να «συγχωνευθούν» για μια στιγμή, έτσι ώστε τα κουάρκ και τα γλουόνια που είναι συνήθως δεσμευμένα στο εσωτερικό των νουκλεονίων να σχηματίσουν ένα «πλάσμα κουάρκ-γλουονίων». Η ύλη πρέπει να βρισκόταν σε αυτή την κατάσταση στο πολύ πρώιμο Σύμπαν, προτού ψυχθεί αρκετά έτσι ώστε να συμπυκνωθούν τα κουάρκ και τα γλουόνια και να σχηματίσουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια της γνωστής μας ύλης. Σε πειράματα όπως αυτό, η φυσική στοιχειωδών σωματιδίων μελετά μορφές της ύλης που δεν έχουν παρατηρηθεί μετά το πολύ πρώιμο Σύμπαν.