Verbazingwekkende inzichten in de oorsprong van materie in het vroege heelal

Een kunstenaarstekening van de deeltjeswolk die het gevolg is van de botsing van twee zware atomen. Terwijl de hete subatomaire soep afkoelt, vallen de nieuw gevormde deeltjes de ruimte in. Auteursrecht: Joseph Domenicus Lapp, redacteur

Wetenschappers hebben de extreme omstandigheden van het vroege heelal nagebootst in deeltjesversnellers, waardoor verrassende inzichten in de vorming van materie zijn onthuld.

Nieuwe berekeningen laten zien dat tot 70% van sommige deeltjes afkomstig kan zijn van latere reacties in plaats van van de aanvankelijke quark-gluonsoep die zich onmiddellijk na de reactie vormde. Grote knalDeze ontdekking daagt eerdere aannames over de tijdlijn voor materievorming uit en suggereert dat veel van de materie om ons heen later ontstond dan verwacht. Door deze processen te begrijpen, kunnen wetenschappers de resultaten van botsingsexperimenten beter interpreteren en hun kennis over de oorsprong van het universum verbeteren.

Herscheppen van de barre omstandigheden die in het vroege universum heersten

De temperatuur van het vroege heelal was 250.000 keer heter dan de kern van de zon. Dit is te heet om de protonen en neutronen waaruit de dagelijkse materie bestaat, te laten vormen. Wetenschappers bootsen de omstandigheden van het vroege heelal na in deeltjesversnellers door atomen tegen elkaar te botsen met een snelheid van bijna de lichtsnelheid. Door de hoeveelheid geproduceerde deeltjes te meten, kunnen wetenschappers begrijpen hoe materie wordt gevormd.

De deeltjes die wetenschappers meten kunnen op verschillende manieren ontstaan: uit de oorspronkelijke soep van quarks en gluonen of uit latere interacties. Deze daaropvolgende interacties begonnen 0,000001 seconde na de oerknal, toen samengestelde deeltjes bestaande uit quarks met elkaar begonnen te interageren. Uit een nieuwe berekening is gebleken dat tot 70% van sommige van de gemeten deeltjes afkomstig is van deze latere interacties, en niet van interacties die vergelijkbaar zijn met die in het vroege heelal.

De oorsprong van materie begrijpen

Deze ontdekking verbetert het wetenschappelijk begrip van de oorsprong van materie. Het helpt bepalen hoeveel van de materie om ons heen werd gevormd in de eerste paar fracties van een seconde na de oerknal, vergeleken met de hoeveelheid materie die werd gevormd door latere interacties toen het universum uitdijde. Dit resultaat geeft aan dat grote hoeveelheden van de materie om ons heen later ontstonden dan verwacht.

Om de resultaten van botsingsexperimenten te begrijpen, moeten wetenschappers deeltjes uitsluiten die bij daaropvolgende interacties worden gevormd. Alleen die gevormd in de subatomaire soep onthullen de vroege omstandigheden van het universum. Uit deze nieuwe berekening blijkt dat het gemeten aantal gevormde deeltjes bij de reacties veel hoger is dan verwacht.

Het belang van daaropvolgende reacties bij deeltjesvorming

In de jaren negentig realiseerden natuurkundigen zich dat sommige deeltjes in grote aantallen ontstaan ​​door daaropvolgende interacties na de initiële vorming van het universum. Deeltjes die D-mesonen worden genoemd, kunnen interageren en een zeldzaam deeltje vormen: carmonium. Wetenschappers zijn het er niet over eens hoe belangrijk dit effect is. Omdat carmonium zeldzaam is, is het moeilijk te meten.

Recente experimenten leveren echter gegevens op over het aantal botsingen veroorzaakt door carmonium en D-mesonen. Yale Universiteit Duke University gebruikte de nieuwe gegevens om de sterkte van dit effect te berekenen. Het belang ervan bleek veel groter dan verwacht. Ruim 70% van het gemeten carmonium kan in reacties worden gevormd.

Implicaties voor het begrijpen van de oorsprong van materie

Terwijl de hete soep van subatomaire deeltjes afkoelt, expandeert deze tot een vuurbal. En dit alles gebeurt in minder dan een honderdste van de tijd die het licht nodig heeft om over te steken maïsOmdat het zo snel is, weten wetenschappers niet helemaal zeker hoe de vuurbal zich heeft uitgebreid.

De nieuwe berekeningen laten zien dat wetenschappers niet noodzakelijkerwijs de details van deze uitbreiding hoeven te kennen. Bij botsingen ontstaat echter een grote hoeveelheid carmonium. Het nieuwe resultaat brengt wetenschappers een stap dichter bij het begrijpen van de oorsprong van materie.

Referentie: “J/ψ Hadron Regeneration in Pb+Pb Collisions” door Josef Dominicus Lapp en Bernt Müller, 11 oktober 2023, Fysica van letters b.
doi: 10.1016/j.physletb.2023.138246

Dit werk werd ondersteund door het Department of Energy’s Office of Science, Nuclear Physics Program. Eén van de onderzoekers spreekt ook zijn dank uit voor de gastvrijheid en financiële steun tijdens zijn verblijf aan Yale University.