Forskere skaber et mini-Big Bang: Bowlingkegle-formede atomkerner giver nyt indblik i Universets første øjeblikke

Hvad skete der i Universets første øjeblikke - før byggestenene til alt liv og den verden, vi kender opstod?

Det spørgsmål forsøger fysikere på forskningsanlægget CERN i Schweiz at besvare ved at genskabe nogle af de ekstreme forhold, der herskede i Universet under Big Bang. Og nu er forskere fra Niels Bohr Instituttet sammen med kollegaer fra den internationale ALICE-kollaboration kommet tættere på svaret.

På CERN kan forskere få atomkerner til at kollidere med næsten lysets hastighed og på den måde skabe små dråber af det urstof, der udgjorde Universet i dets første milliontedel af et sekund. Stoffet kaldes kvark-gluon-plasma og er altså det første stof, der overhovedet fandtes.

I mange år har man antaget, at det krævede kollisioner mellem meget tunge atomkerner som bly at skabe plasmaet. Men nu er fysikerne fra Niels Bohr Institutet lykkedes med at skabe urstoffet ved at smadre de meget lettere atomer oxygen-16 og neon-20 mod hinanden.

”Vi har dermed flyttet grænsen for, hvor små atomkerner vi kan kollidere og stadig genskabe urstoffet – det man kan kalde et mini-Big Bang. Nu ved vi mere om de grundlæggende betingelser for, hvornår stof går over i denne ekstreme tilstand,” siger lektor You Zhou, som har ledet eksperimentet og indtil for nyligt var ansat på Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

Han tilføjer:

”Det kan forhåbentlig gøre os klogere på, hvordan plasmaet opførte sig i Universets første øjeblikke – og hvordan det senere udviklede sig til den form for stof, som alt omkring os består af.”

Forskningsresultaterne, som er blevet til i regi af det internationale ALICE-eksperiment, er netop udgivet i det prestigefyldte tidsskrift Physical Review Letters.

Mikroskopisk Big Bang formet som en bowlingkegle

Når atomkernerne brager sammen, omdannes deres bestanddele til en lille dråbe kvark-gluon-plasma i en brøkdel af et sekund. Herefter udvider dråben af det ekstremt varme stof sig. Forskerne kan ikke se plasmaet direkte, men de kan måle de partikler, som stoffet bliver til et kort øjeblik efter.

Her viser det sig, at bevægelsesmønstret i partiklerne afslører formen på atomkernen. Hvor kollisioner mellem to oxygen-atomer skaber et rundt mønster, skaber neon-kollisionerne et bowlingkegle-formet mønster.

”Partiklerne fra urstoffet er altså direkte styret af den geometriske form på atomkernen. Så hvis de to atomkerner, vi smadrer mod hinanden, er kugleformede, får vi ét mønster. Hvis de er bowlingkegle-formede, får vi et andet. Ved at studere partiklernes bevægelser efter kollisionen, kan vi få en viden om atomet, som vi ofte mangler,” forklarer postdoc Emil Gorm Dahlbæk Nielsen fra Niels Bohr Institutet, som er medforfatter til studiet.

Han uddyber:

”Det er lidt som at lyse på en genstand og se dens skygge. Du kan ikke se genstanden direkte, men skyggen afslører dens form. På samme måde røber partiklernes bevægelse den geometriske form på atomkernerne, som var til stede i begyndelsen af kollisionen.”

Dybe rødder på Niels Bohr Institutet 

Netop spørgsmålet om atomkerners form og struktur har optaget fysikere i mere end 70 år og har dybe rødder på Niels Bohr Institutet. Det var således arbejdet med atomkernens opbygning, der indbragte Aage Bohr Nobelprisen i fysik i 1975.

Formen på en atomkerne er nemlig ikke blot et spørgsmål om geometri. Den afslører, hvordan protoner og neutroner organiserer sig og giver vigtig viden om den stærke kernekraft – en af naturens fire fundamentale kræfter, som stadig er et mysterium for videnskaben.

Op til i dag har forskere primært undersøgt atomkerners struktur ved lave energier – blandt andet ved at studere deres rotationer og vibrationer.

”En præcis forståelse af atomkernens struktur hjælper os med at forstå den stærke kernekraft. Men i stedet for forsigtigt at undersøge kernerne ved lave energier smadrer vi dem sammen ved de højeste energier, man kan skabe, og kan altså nu aflæse deres form gennem det aftryk, de sætter,” siger You Zhou.

Forskerne beskriver selv perspektivet som et muligt paradigmeskifte. Hvis metoden kan udbygges, kan den blive en ny metode til at undersøge andre atomkerner, man endnu ikke kender strukturen af.  

Forskerne ved stadig ikke præcist, hvor grænsen går for, hvornår kvark-gluon-plasma kan dannes. Derfor bliver næste skridt at lave forsøg med endnu mindre atomkerner som fx helium-4.

”Det fascinerende er, at vi kan bruge det samme eksperiment til både at lære noget om atomernes indre og samtidig blive klogere på, hvad der skete under Universets fødsel. De to ting viser sig at hænge langt tættere sammen, end man umiddelbart skulle tro,” slutter You Zhou.

HVAD ER KVARK-GLUON-PLASMA?

Kvark-gluon-plasma er en ekstremt varm og tæt tilstand af stof, som eksisterede i Universets første milliontedel af et sekund efter Big Bang. På det tidspunkt var Universet så varmt, at protoner og neutroner endnu ikke var dannet. I stedet bevægede deres byggesten – kvarker og gluoner – sig frit omkring i en slags varm ’suppe’.

Da Universet udvidede sig og blev køligere, blev kvarker og gluoner efterhånden bundet sammen til blandt andet protoner og neutroner. De blev senere byggestenene i atomkerner og dermed i det almindelige stof, som stjerner, planeter og vi selv består af.

 

OM STUDIET

• Studiet er gennemført i det internationale ALICE-samarbejde på CERN og er publiceret i Physical Review Letters som en Editors’ Suggestion.
• Fra Niels Bohr Institutet har You Zhou, Emil Gorm Dahlbæk Nielsen og Zhiyong Lu været centrale i arbejdet.
• Studiet er støttet gennem ERC-projektet InitialConditions.