Az LHC elsősorban proton-proton ütköztetéseiről ismert, amelyek végül a Higgs-bozon és a Higgs-mező felfedezéséhez vezettek, amelyek az elektronok, kvarkok és más elemi részecskék tömegét adják. A részecskeütköztetőben azonban lehetséges nehézionok, nagyobb atomok vagy molekulák ütközésére is, amelyek elektronok felvételével vagy elvesztésével elektromos töltést nyernek. A nehézionok ütközésekor pedig kvark-gluon plazma (QGP) keletkezhet, amely lehetővé teszi, hogy megismerjük a korai univerzumban uralkodó állapotokat.

Ahogy a CERN kutatói összefoglalják, a Nagy Bumm után néhány ezredmásodperccel az univerzumot elképesztően forró, sűrű leves töltötte be, amely mindenféle, fénysebességhez közeli sebességgel mozgó részecskékből állt. Ebben a keverékben a kvarkok – az anyag alapvető részecskéi – és a gluonok, az erős kölcsönhatás hordozói domináltak, amelyek normális esetben a kvarkokat összeragasztják a jól ismert protonokká, neutronokká és más részecskékké. Azonban az első pillanatokban, amikor a hőmérséklet rendkívül magas volt, a kvarkok és a gluonok csak gyengén kötődtek egymáshoz, és szabadon mozoghattak az úgynevezett kvark-gluon plazmában.

A korai univerzumhoz hasonló körülmények visszaállításához nagy teljesítményű gyorsítókban hatalmas ionok, például arany- vagy ólomatomok ütköznek egymással. Ezekben a nehézion-ütközésekben az atomokban lévő több száz proton és neutron ütközik egymással, egyenként több billió elektronvolt energiával. Ez egy apró tűzgolyót hoz létre, amelyben minden „megolvad”, és kvark-gluon plazmává válik.

Az LHC-ben eddig általában 82 protonból és 126 neutronból álló, nehezebb ólomionokat ütköztettek egymással. De a napokban megkezdődött egy új kísérlet, amely során ennél sokkal kisebb tömegű ionokkal végzik az ütköztetéseket. Ennek során oxigénionokat oxigénionokkal, neont neonnal, protonokat pedig oxigénatomokkal ütköztetnek.

„Ezek az ütközési rendszerek lehetővé teszik, hogy megvizsgáljuk, hogyan alakulnak a QGP tulajdonságai a rendszer méretével összefüggésben” – magyarázta Riccardo Longo, az ATLAS nehézion-csoport fizikusa nyilatkozatában. „Bár a proton-proton ütközések tanulmányozásának köszönhetően jól értjük az erős kölcsönhatást „hideg” körülmények között, és rendkívül forró és sűrű környezetben is, mint például az ólom-ólom ütközések során. Továbbra is fennáll viszont a kérdés, hogy mi történik a kettő között? Reméljük, hogy ezek a könnyebb rendszerek lehetővé teszik számunkra, hogy áthidaljuk a szakadékot.”

Bár a fizikusoknak van elképzelésük arról, mire számíthatnak, az ilyen kísérletek rengeteg meglepetést tartogathatnak. „Jelenleg csak elméletek léteznek arról, hogy ezek a rendszerek hogyan reagálnak ilyen energiákra” – mondta el nyilatkozatában Ivan Amos Cali, a CMS nehézion-csoport tagja, aki elsősorban az ütközéseket fogja tanulmányozni. „Ez az első alkalom, hogy valóban láthatjuk, mi történik – még soha senki nem végzett ilyen típusú méréseket.”

Nehezebb ionok és xenon-xenon ütközések vizsgálata során az ATLAS kutatói korábban megfigyeltek egy furcsa jelenséget, amely során a nagy energiájú részecskék energiát veszítettek, miközben áthaladtak a kvark-gluon plazmán. Ez viszont nem volt megfigyelhető a proton-ólom ütközésekben, amelyek kisebb kvark-gluon plazma rendszert alkottak.

„Az elmélet szerint oxigén-oxigén ütközésekben a jelenség kezdeteit kellene látnunk” – mondja Longo. „Ha enyhe csillapítást sikerül megfigyelnünk, az meghatározhatja azt a kritikus rendszerméretet, amelynél a hatás érvényesülni kezd.”

Ezekben a kutatásokban szintén érdekes lesz a kvark-gluon plazmából kilépő részecskék kollektív mozgásában megfigyelt „kollektív áramlás”. Az oxigén-ütköztetések tanulmányozása segíthet megérteni ezt a kollektív viselkedést, és egyúttal az oxigénatomok geometriai szerkezetéről is információt adhat. Eközben a neonütköztetések is információt adhatnak a neon szerkezetéről, amelyről úgy gondolják, hogy nagyjából tekebábu alakú. Maga az alak is hatással lehet a kvark-gluon plazma kialakulására.

„Még jobb, hogy az oxigén- és a neonütköztetések egymást követik” – tette hozzá Qipeng Hu, az ATLAS nehézionfizika-csoport vezetője. „Ez hihetetlenül értékes adatokat kínál az összehasonlításhoz, mivel a kísérleti feltételek pontosan megegyeznek.”

Bár az ütköztetések az LHC-ben már rutinnak számítanak, a könnyebb elemek ütköztetése új kihívásokat teremt, például a sugárnyaláb szennyeződésének problémáját. „Ez egy olyan gond, amellyel protonnyaláboknál nem találkozunk, de az oxigénnel tapasztaljuk” – magyarázza Roderik Bruce, az LHC ionszakértője. „Minden ütköztetés oxigénionokkal azonos töltés-tömeg arányú másodlagos részecskéket hoz létre, amelyek szennyezik a sugárnyalábot, és megnehezíthetik az elemzést. Ezért egy bizonyos ponton szükség lehet a sugárnyaláb kiürítésére, és új, tiszta oxigénnyaláb bejuttatására, de a transzmutáció mértéke még nem ismert. Az adatelemzés fogja feltárni.”

Az új vizsgálatok július 1–9. között zajlanak.