Cum a fost recreat universul timpuriu în laborator

Unul dintre cele mai mari mistere ale fizicii este: de ce universul nostru conține mai multă materie decât antimaterie. Pentru a aborda această întrebare, o echipă internațională de cercetători a reușit să creeze o plasmă cu cantități egale de materie și antimaterie – după cum se consideră că s-a format universul timpuriu.

Materia apare, după cum știm, în patru stări diferite: solidă, lichidă, gaz și plasmă, care este un gaz foarte fierbinte în care atomii au fost deposedați de electronii lor. Cu toate acestea, există, de asemenea, o a cincea stare a materiei, exotică: o plasmă materie-antimaterie, în care nu există o simetrie completă între particulele negative (electroni) și particulele pozitive (pozitroni).

Această stare exotică a materiei este considerată a fi prezentă în atmosfera de obiecte astrofizice extreme, cum ar fi găurile negre și pulsari. De asemenea, este considerată a fi constituientul fundamental al universului în fază incipientă, în special în perioada Leptonică, începând cu aproximativ o secundă după Big Bang.

O problemă în crearea de particule de materie și antimaterie împreună este că ele se resping reciproc – dispărând într-o explozie de lumină ori de câte ori se întâlnesc. Cu toate acestea, acest lucru nu se întâmplă imediat, și este posibil studiul comportamentului plasmei în fracțiunea de secundă în care este vie.

Înțelegerea modului în care materia se comportă în această stare exotică este crucială dacă dorim să înțelegem cum universul nostru a evoluat și, în special, de ce universul, așa cum îl știm, este alcătuit în principal din materie. Teoria mecanicii cuantice relativiste sugerează că ar trebui să avem cantități egale din materie și antimaterie. De fapt, niciun model actual al fizicii nu poate explica această discrepanță.

În ciuda importanței sale fundamentale pentru înțelegerea universului de către noi, nu a mai fost creată până acum în laborator o plasmă electron-pozitron, nici măcar în acceleratoare de particule mari, cum ar fi CERN. Echipa de cercetători, care implică fizicieni din Marea Britanie, Germania, Portugalia și Italia, în cele din urmă a reușit să rezolve problema prin schimbarea modului în care au privit aceste obiecte.

În loc să-și concentreze atenția asupra acceleratoarelor de particule imense, ei au apelat la laserele ultra-intense disponibile la Central Laser Facility de la Laboratorul Rutherford Appleton din Oxfordshire, Marea Britanie. Au folosit o cameră ultra-vid cu o presiune atmosferică foarte mare față de atmosfera noastră pentru a lansa un puls laser ultra-scurt și intens (de sute de miliarde de miliarde de ori mai intens ca lumina soarelui pe suprafața Pământului) pe un gaz de azot. Acesta a dezvelit electronii din gaz și i-a accelerat la o viteză extrem de apropiată de cea a luminii.

Fasciculul apoi s-a ciocnit cu un bloc de plumb, care i-a încetinit din nou. Pe măsură ce aceștia încetineau, emiteau particule de lumină, fotoni, care au creat perechi de electroni și anti-particulele lor, pozitroni, atunci când s-au ciocnit cu nucleele probei de plumb. O reacție în lanț a acestui proces a dat naștere la plasmă.

Raza laser a trebuit să fie ghidată și controlată cu precizie de micrometri, iar detectoarele trebuiau fin calibrate și ecranate.

Dar s-a meritat, deoarece acest experiment înseamnă deschiderea unei ramuri interesante a fizicii. În afară de investigarea asimetriei materie-antimaterie, privind cum aceste plasme interacționează cu raze laser foarte puternice, putem studia, de asemenea, modul în care această plasmă se propagă în vid și într-un mediu cu densitate scăzută. Acest lucru ar însemna crearea de condiții similare cu generarea de explozii de raze gama, unele dintre evenimentele cele mai luminoase înregistrate vreodată în universul nostru.