Nieuwe theorie biedt inzicht in materie vlak na de oerknal

Natuurkundigen van MIT en de University of California hebben een nieuwe methode ontwikkeld om de eigenschappen van materie kort na de oerknal te onderzoeken. Hun berekeningen laten zien dat zware quarks zich in extreem heet plasma anders gedragen dan bestaande modellen voorspellen.

Vlak na de oerknal bestond het heelal uit een extreem heet mengsel van quarks en gluonen, de elementaire deeltjes waaruit onder meer protonen en neutronen zijn opgebouwd. Dit zogenoemde quark-gluonplasma had een temperatuur van ongeveer een biljoen graden en bleef slechts enkele microseconden bestaan. Daarna koelde het heelal voldoende af om protonen en neutronen te laten ontstaan. Wetenschappers proberen de eigenschappen van deze oermaterie te achterhalen door zware atoomkernen met bijna de lichtsnelheid op elkaar te laten botsen in deeltjesversnellers, zoals de allerbekendste bij CERN in Zwitserland.

Einstein

Om de structuur van het plasma te onderzoeken, bestuderen natuurkundigen hoe zware quarks zich erdoorheen bewegen. Deze onderzoeksmethode bouwt voort op een theorie die Albert Einstein in 1905 ontwikkelde om de zogeheten Brownse-beweging te verklaren. Daarbij bewegen kleine deeltjes in een vloeistof voortdurend in willekeurige richtingen doordat ze worden geraakt door moleculen uit hun omgeving.

Volgens deze theorie wordt de beweging bepaald door een combinatie van weerstand en willekeurige botsingen. De waarschijnlijkheid van die botsingen volgt doorgaans een symmetrische klokvormige verdeling, maar bij deeltjes die zich met bijna de lichtsnelheid bewegen, blijkt deze beschrijving niet volledig te werken. Natuurkundigen weten al ongeveer twintig jaar dat de gebruikelijke modellen bepaalde interacties onder zulke extreme omstandigheden onvoldoende beschrijven.

Zware quarks

MIT-onderzoeker Jean Du Plessis en Bruno Scheihing-Hitschfeld van de University of California onderzochten daarom hoe zware quarks reageren op de sterke kernkracht terwijl ze zich met bijna de lichtsnelheid door een plasma bewegen. Ze begonnen met een theoretisch model waarin de quarks en gluonen relatief zwak met elkaar wisselwerken. Vervolgens berekenden ze hoe groot de veranderingen in de impuls van een zwaar quark kunnen zijn.

Uit de berekeningen bleek dat kleine veranderingen nog grotendeels overeenkomen met de klassieke klokvormige verdeling. Bij grotere veranderingen ontstaan echter duidelijke afwijkingen. Sterke botsingen komen vaker voor dan de gebruikelijke modellen voorspellen. Bovendien is de verdeling niet symmetrisch: een grote impulsverandering die het quark sterker afremt dan verwacht, is waarschijnlijker dan een even grote verandering die het juist versnelt. Deze asymmetrie biedt volgens de onderzoekers ‘nieuwe informatie over de microscopische eigenschappen van het plasma’.

Plasma

De onderzoekers herhaalden hun berekeningen voor plasma’s met verschillende samenstellingen. Daarbij bleek dezelfde asymmetrische verdeling terug te komen, ongeacht welke deeltjes het plasma bevatte. Volgens Du Plessis is het ‘de eerste keer dat deze overeenkomst systematisch is herkend en wiskundig is vastgelegd’. Dat suggereert dat het verschijnsel een algemene eigenschap kan zijn van zware deeltjes die zich met relativistische snelheden door een plasma bewegen. De resultaten ondersteunen bovendien het bestaande beeld dat quark-gluonplasma zich eerder gedraagt als een vloeistof dan als een gas, doordat de deeltjes onderling sterk op elkaar inwerken.