De sjældne, store skub til en tung kvark kan rumme oplysninger, som en almindelig klokkeformet kurve skjuler. Det er hovedresultatet i en ny teoretisk beregning af, hvordan tunge kvarker bevæger sig gennem kvark-gluon-plasma, den ekstremt varme stoftilstand, der fandtes kort efter Big Bang.

Jean F. Du Plessis fra MIT og Bruno Scheihing-Hitschfeld fra University of California, Santa Barbara offentliggjorde arbejdet i Physical Review Letters den 5. november. Beregningen giver et mere detaljeret billede af partiklernes bevægelse og peger på en mulig ny måde at undersøge plasmaets indre på. Den er endnu ikke en eksperimentel påvisning af det forudsagte mønster.

En tung partikel som sonde

Ved sammenstød mellem tunge atomkerner kan acceleratorer kortvarigt skabe bittesmå områder af kvark-gluon-plasma. Her optræder kvarker og gluoner ikke på samme måde som i almindelige protoner og neutroner. Fysikerne undersøger stoffets egenskaber gennem de partikler, der vekselvirker med det.

Tunge kvarker er særligt interessante, fordi deres bevægelse påvirkes af det omgivende medium. Når de udveksler energi og bevægelsesmængde med plasmaet, efterlader det spor i deres senere bevægelse. Teoriens opgave er at forbinde disse spor med de mikroskopiske processer, som det er vanskeligt at observere direkte.

Man kan sammenligne princippet med at lære noget om et tæt menneskemylder ved at følge en person gennem det. Hvor meget personen bremses, og hvor uregelmæssigt bevægelsen ændrer sig, afhænger af omgivelserne. Kvarker følger naturligvis kvantefysikkens love, men sondetanken er beslægtet.

Hvor den velkendte klokkeform kommer til kort

En udbredt beskrivelse bygger på mange små tilfældige påvirkninger og en gennemsnitlig opbremsning. Den minder om Brownsk bevægelse, hvor en lille partikel skubbes rundt af et mediums mikroskopiske bestanddele. Albert Einsteins arbejde fra 1905 knyttede sådanne bevægelser til stoffets indre opbygning.

I en gaussisk beskrivelse kan fordelingen af ændringer i bevægelsesmængden karakteriseres ved en klokkeform. Den er nyttig, når mange små bidrag dominerer. Men forskernes nye beregning viser, at hele fordelingen ikke kan beskrives sådan, når man medtager flere detaljer i vekselvirkningen.

Den centrale del har fortsat en tilnærmet gaussisk form. Længere ude får kurven derimod eksponentielle haler. Det betyder, at store ændringer er mindre stærkt undertrykt, end en ren gaussisk model ville forudsige. Sjældne hændelser bliver derfor en nødvendig del af beskrivelsen.

Store skub er ikke lige sandsynlige i begge retninger

For en kvark i bevægelse er halerne desuden asymmetriske. Store udsving i den ene retning er ikke lige så sandsynlige som tilsvarende udsving i den modsatte. Forskerne fremhæver, at et stort ekstra bremsende skub er mere sandsynligt end et lige så stort fremadrettet skub ud over den gennemsnitlige opbremsning.

Det er ikke blot en kosmetisk ændring af en kurve. Fordelingen skal passe med, at partiklen over tid kan komme i termisk ligevægt med sine omgivelser. De ekstra led hjælper med at opfylde denne betingelse dér, hvor den forenklede beskrivelse med kun opbremsning og gaussisk støj ikke er tilstrækkelig.

Arbejdet tager udgangspunkt i svagt koblede plasmaer, hvor beregningerne kan udføres systematisk. Forskerne finder samme overordnede struktur med en central del og asymmetriske haler i tidligere resultater for en stærkt koblet model. Det styrker mistanken om, at mønstret har bredere gyldighed.

Nu skal forbindelsen til målinger bygges

Den fælles struktur er dog ikke et bevis for, at alle detaljer gælder i det virkelige plasma fra en accelerator. Beregningen anvender blandt andet en grænse med meget stor kvarkmasse og ser bort fra korrektioner til denne tilnærmelse. Den stærkt koblede sammenligning er ligeledes en teoretisk model.

Næste mulighed er at bruge de mere fuldstændige fordelinger i beskrivelser af tunge kvarkers transport og sammenholde forudsigelserne med kollisionsdata. Hvis de sjældne udsving kan forbindes pålideligt med målbare signaler, kan de supplere oplysningerne fra den gennemsnitlige opbremsning. Nyheden er dermed et skarpere teoretisk redskab til at undersøge den tidlige kosmiske stoftilstand, snarere end et nyt billede af selve Big Bang.

Kilder og videre læsning

Har du fundet en fejl? Læs om rettelser.