Poszukiwania Plazmy Kwarkowo - Gluonowej.

Kwarki i gluony są obecnie powszechnie uważane za elementarne składniki otaczającej nas materii Wszechświata. Jak dotąd nikt bezpośrednio nie widział kwarków, jednak nikt nie wątpi w ich istnienie. Cząstek tych nie udało się jeszcze zaobserwować w eksperymentach fizycznych jako odseparowanych obiektów. Są one uwiezione wewnątrz wszystkich hadronów, którymi są miedzy innymi powszechnie znane protony i neutrony. Do opisu kwarków i gluonów powstała nawet specjalna teoria zwana Chromodynamiką Kwantową (QCD). QCD przewiduje, że te elementarne cząstki wykazują dwa typy zachowań, otóż wewnątrz hadronów kwarki i gluony są niejako cząstkami swobodnymi, natomiast nigdy nie występują w takiej postaci poza hadronami. Teoria ta przewiduje, że przy pewnej ogromnej gęstości materii (na tyle dużej, że protony i neutrony ściśnięte byłyby do tak małej objętości, że stykałyby się ze sobą) lub przy dostarczeniu pewnej bardzo wysokiej energii powinien pojawić się nowy stan materii, zwany Plazmą Kwarkowo - Gluonową (QGP). W stanie QGP kwarki i gluony uzyskują swobodę. Dlatego tak ważne stały się w ostatnich latach próby uzyskania QGP w warunkach laboratoryjnych, pozwoliłoby to nie tylko lepiej poznać naturę tych jak dotąd niewidzialnych cząstek i zweryfikować wiele postulatów QCD, ale także być może zbliżyłoby nas trochę do zrozumienia tajemnicy początków Wszechświata.

Przypuszcza się, że Plazma Kwarkowo - Gluonowa będzie się bardzo szybko rozszerzać, zwiększając swoją objętość. W miarę wzrostu, jej temperatura będzie spadać i nastąpi przejście kwarków i gluonów w neutralne hadrony. Prawdopodobnie tak właśnie wyglądały pierwsze ułamki sekund życia naszego Wszechświata. Zaledwie w czasie jednej milionowej części sekundy po Wielkim Wybuchu, który jest najbardziej prawdopodobnym scenariuszem powstania Wszechświata, panowała właśnie Plazma Kwarkowo - Gluonowa. Cala obecna energia zajmowała wówczas przestrzeń wielkości naszego układu słonecznego. Temperatura, jaka tam panowała, była niewyobrażalnie duża. Jednak materia plazmy bardzo szybko ewoluowała, jej objętość rosła, a to prowadziło do spadku temperatury. Gdy temperatura pierwotnej materii osiągnęła wartość krytyczną nastąpiło przejście fazowe, kwarki i gluony zostały uwiezione w hadronach. Wkrótce potem powstały pierwsze jądra atomowe. To dlatego wytworzenie stanu plazmy stało się tak bardzo ważne w ostatnich latach. Uzyskanie jej w warunkach laboratoryjnych zbliżyłoby nas znacznie do ułamków sekund tuż po Wielkiego Wybuchu. Badania Plazmy Kwarkowo - Gluonowej pozwoliłyby także na lepsze poznanie próżni i jej własności. Dzisiejszy stan wiedzy pozwala sądzić, że nie stanowi ona wcale pustej przestrzeni. Zachodzą w niej nieustanne fluktuacje różnego typu, cząstki pojawiają się, po czym znikają. Fizycy teoretycy twierdza, że hadronizacja kwarków i gluonów może prowadzić do powstania nowego stanu próżni.

W wieku ośrodkach badawczych na całym świecie powstają coraz większe akceleratory, w których przyspieszane są cząstki do bardzo wysokich prędkości i energii. Jednak, mimo znacznego postępu, jaki poczyniono w ostatnich latach, w żadnym z dotychczasowych eksperymentów, nie udało się zauważyć obecności poszukiwanej plazmy. W 1999 roku mają zostać ukończone prace nad budową nowego akceleratora RHIC, czyli Zderzasza Relatywistycznych Ciężkich Jonów. Być może jego działanie przyniesie lepsze wyniki. RHIC będzie przyśpieszał dwie wiązki jonów złota, które początkowo będą krążyć w przeciwnych kierunkach w ogromnym tunelu. Planowana prędkość, jaką powinny osiągnąć jony złota wyniesie 99.995% prędkości światła. Badane zderzenia jąder mają nastąpić w czterech miejscach tunelu akceleratora. Gęstość materii osiągnięta podczas każdego takiego zderzenia będzie równoważna gęstości, jaką osiągnęlibyśmy ściskając Ziemię do rozmiaru sześcianu o objętości 10 m3. Zderzenia będą następować w specjalnie przygotowanych skomplikowanych detektorach. Są to wysoce precyzyjne urządzenia do rejestracji i badania produktów zderzenia wiązek. Nie można przewidzieć, co powstanie w wyniku takiego zderzenia, zatem detektory te są zoptymalizowane do wykrycia możliwie wszystkich cząstek fizycznych.