De zoektocht versmalt naar een mysterieuze vorm van materie voorspeld uit Einsteins speciale relativiteitstheorie. Na meer dan tien jaar kijken, geloven wetenschappers van 's werelds grootste deeltjesbotser dat ze op het punt staan het te vinden.
Maar de onderzoekers zoeken niet in de ontplofte ingewanden van deeltjes die met bijna lichte snelheid tegen elkaar zijn geslagen.
In plaats daarvan zoeken natuurkundigen van de Large Hadron Collider (LHC), een ring van 27 kilometer onder de grond tussen de grens tussen Frankrijk en Zwitserland, naar de ontbrekende materie, een kleur glascondensaat genoemd, door te bestuderen wat er gebeurt wanneer deeltjes bots niet, maar zoom in plaats van langs elkaar heen in bijna-ongelukken.
In het standaardmodel van de natuurkunde, de theorie die de dierentuin van subatomaire deeltjes beschrijft, wordt 98% van de zichtbare materie in het heelal bij elkaar gehouden door fundamentele deeltjes die gluonen worden genoemd. Deze toepasselijk genaamde deeltjes zijn verantwoordelijk voor de kracht die quarks aan elkaar lijmt om protonen en neutronen te vormen. Wanneer protonen worden versneld tot bijna de lichtsnelheid, doet zich een vreemd fenomeen voor: de concentratie van gluonen erin schiet omhoog.
"In deze gevallen splitsen gluonen zich op in paren van gluonen met lagere energieën, en dergelijke gluonen splitsten zich vervolgens op, enzovoort", zei Daniel Tapia Takaki, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan de Universiteit van Kansas, in een verklaring. 'Op een gegeven moment bereikt de splitsing van gluonen in het proton een grens waarbij de vermenigvuldiging van gluonen niet meer toeneemt. Een dergelijke toestand staat bekend als het kleurglasscondensaat, een veronderstelde fase van materie waarvan wordt aangenomen dat deze in zeer hoge mate voorkomt. energieprotonen en ook in zware kernen. "
Volgens Brookhaven National Laboratory zou het condensaat vele onopgeloste natuurkundige mysteries kunnen verklaren, zoals hoe deeltjes worden gevormd bij botsingen met hoge energie, of hoe materie wordt verdeeld in deeltjes. Het bevestigen van het bestaan ervan heeft wetenschappers echter tientallen jaren ontgaan. Maar in 2000 ontdekten natuurkundigen van Brookhaven's Relativistic Heavy Ion Collider de eerste tekenen dat het kleurglas condensaat zou kunnen bestaan.
Toen het lab gouden atomen die van hun elektronen waren ontdaan, in elkaar sloeg, vonden ze een vreemd signaal in de deeltjes die uit de botsingen stroomden, wat erop duidde dat de protonen van de atomen volgepropt zaten met gluonen en het kleurglascondensaat begonnen te vormen. Verdere experimenten met botsende zware ionen bij de LHC hebben vergelijkbare resultaten opgeleverd. Het tegen elkaar botsen van protonen met relativistische snelheden kan echter slechts een vluchtige glimp opvangen van de ingewanden van de protonen voordat de subatomaire deeltjes met geweld exploderen. Het onderzoeken van de binnenkant van protonen vereist een zachtere aanpak.
Wanneer geladen deeltjes, zoals protonen, worden versneld tot hoge snelheden, creëren ze sterke elektromagnetische velden en geven ze energie vrij in de vorm van fotonen of lichtdeeltjes. (Dankzij de dubbele aard van licht is het ook een golf.) Deze energielekken werden ooit afgedaan als een ongewenst neveneffect van deeltjesversnellers, maar natuurkundigen hebben nieuwe manieren geleerd om deze hoogenergetische fotonen in hun voordeel te gebruiken.
Als protonen in het gaspedaal langs elkaar heen zoeven, kan de storm van fotonen die ze afgeven proton-op-foton-botsingen veroorzaken. Deze zogenaamde ultraperifere botsingen zijn de sleutel tot het begrijpen van de innerlijke werking van hoogenergetische protonen.
"Wanneer een hoogenergetische lichtgolf een proton raakt, produceert het deeltjes - allerlei soorten deeltjes - zonder het proton te breken", zei Tapia Takaki in een verklaring. 'Deze deeltjes worden door onze detector geregistreerd en stellen ons in staat een ongekend hoogwaardig beeld te reconstrueren van wat erin zit.'
Tapia Takaki en een internationale samenwerking van wetenschappers gebruiken deze methode nu om het ongrijpbare kleurglascondensaat op te sporen. De onderzoekers publiceerden de eerste resultaten van hun studie in het augustusnummer van The European Physical Journal C. Voor het eerst kon het team de dichtheid van gluonen indirect meten op vier verschillende energieniveaus. Op het hoogste niveau vonden ze aanwijzingen dat er zich net een kleur glascondensaat begon te vormen.
De experimentele resultaten "... zijn erg spannend en geven nieuwe informatie over de gluondynamica in het proton, maar er zijn veel theoretische vragen die niet zijn beantwoord", Victor Goncalves, hoogleraar natuurkunde aan de Federale Universiteit van Pelotas in Brazilië en een co-auteur van de studie, zei in de verklaring.
Voorlopig blijft het bestaan van kleurglascondensaat een ongrijpbaar mysterie.
