Ved verdens største akselerator arbeider de på spreng for å rekonstruere materien i de første nanosekundene etter Big Bang. Nylig ble det gjort observasjoner som to UiB-fysikere viste i teorien for flere år siden.
Laszlo Csernai og Dieter Rörich, begge professorer ved Institutt for fysikk og teknologi, arbeidet i 1999 med å gjennomgå forskjellige eksperimenter da de fant noen interessante trekk ved tung-ionereaksjoner som, om de virkelig eksisterte, ville vise at kvark-gluon-plasma finnes. Ved hjelp av modellering kunne de teoretisk forutsi noen konsekvenser man ville vente å finne i eksperimenter.
Man antar at i de første brøkdeler av et sekund etter det store smellet, eksisterte materien bare som en suppe av kvarker og gluoner. Dette er partikler som ikke lar seg observere på jorden i dag, men bare som elementer i kjernepartiklene i atomer. Framgangsmåten for å lære mer om dem, er å akselerere tunge ioner - altså atomer fra tunge grunnstoff som bly eller gull, strippet for sine elektroner - og kollidere dem mot hverandre ved svært høye energier.
Ser spor etter partiklene
– Man sender en tung-ionestråle inn på hver side, og lar dem kollidere på midten, sier Csernai og viser fram et nokså kaotisk og fargesprakende bilde av hva som skjer ved en kjernekollisjon.
– Denne kollisjonen genererer mange nye partikler, og det vi ser, er sporene etter dem slik de beveger seg i det magnetiske feltet.
Ladde partikler som beveger seg i et magnetisk felt, vil ikke gå i en rett bane, men få en krumning i banen. Krumningen bestemmes av ladningen til partikkelen, og det vil si at sporene man ser, er avhengig av partikkelens ionisering og kan dermed brukes til å bestemme ladning og energi til partikkelen.
I sine teoretiske modelleringer fant Csernai og Rörich at når kvarker og gluoner settes fri i den enorme varmen og tettheten som oppstår i midten av en slik kollisjon, ville bevegelsen til denne ”suppen” ha noen særegne kjennetegn som vanlige partikler ikke har. Dette ble nylig observert eksperimentelt ved verdens største partikkelakselerator, kalt the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ved Brookhaven National Laboratory på Long Island i USA. Resultatene ble lagt fram på konferansen Quark Matter 2004 i California i januar.
Avhengig av regnekraft
– Detaljene er komplekse, og det trengs nye eksperimenter. Vi må videreutvikle eksperimentelle og teoretiske resultater, og har et stort arbeid foran oss. Hvis resultatene kan reproduseres, kan vi finne parametere for plasmaet, som trykk og kompressibilitet, og det vil si oss mer om egenskapene til plasmaet, forteller Csernai.
Siden kollisjonene produserer så mange partikler, innebærer analyseringen et stort numerisk arbeid, hvor man er avhengig av store tungregnemaskiner. Mye av modelleringen er gjort ved Bergen Computational Physics Laboratory, en enhet ved Bergen Center for Computational Science.
– Det eksisterer enorme datamengder fra disse eksperimentene. Vi skal blant annet analysere asymmetrier og irregulariteter, og simulere kollisjoner. Det krever mange timer på supercomputere, og det er et vanskelig arbeid, fordi disse systemene finnes i grensen mellom makroskopiske og mikroskopiske systemer. Det er et interessant felt hvor de vanlige lovene for f. eks. væske- og termodynamikk ikke kan brukes. Vi kan ikke regne analytisk fordi ikke-lineariteter er viktige elementer. Tidligere var slike prosesser ikke mulig å håndtere, men nå har vi verktøy som gjør det mulig å regne med dem.
Fysikkens år i 2005
Selv om kvark-gluon-plasma ikke er observerbart i fri tilstand på jorden, er det ikke bare en akademisk problemstilling, presiserer Dieter Rörich. Samtidig med at forskerne ved RHIC leter etter eksperimentelle spor av kvark-gluon-plasmaet, ser andre forskere etter det samme i verdensrommet.
– Vi kjenner til høyenergetiske fenomener i universet, for eksempel i det indre av nøytronstjerner, der kvark-gluon-plasma kan spille en rolle. Og før eller siden må vi forberede oss på å ha noe å gjøre med andre deler av universet. Ser du science fiction-filmer, ser du noen ganger at de for eksempel kolliderer stjerner for å skaffe energi. For å kunne spille på astronomiske systemer, må vi vite hva som finnes der ute. Dette er prosesser med astrofysisk relevans, sier han.
Samtidig som dette arbeidet går framover, ser Institutt for fysikk og teknologi fram til å feire det internasjonale fysikkåret i 2005. Fram mot høsten vil det bli lagt planer for hvordan året skal markeres ved instituttet.
– I 2005 er det hundre år siden Albert Einstein publiserte sin spesielle relativitetsteori og satte i gang forskningen innen kvantefysikk, statistisk fysikk og generell relativitet. Arbeidet med kvark-gluon-plasma er en direkte videreføring av disse teoriene, sier instituttleder Jan Petter Hansen, som gleder seg til å markere fysikkens år i Bergen.