Student World

Pozornost fyziků se v současné době upírá na pokusy, při nichž v urychlovačích částic vzniká kvark-gluonové plazma. Jde o druh jakési „prahmoty“, která ve vesmíru existovala jen mizivý zlomek sekundy po velkém třesku. V našem krátkém seriálu si nastíníme, o jaký druh experimentů vlastně jde a co nám mohou jeho výsledky prozradit o složení hmoty a vzniku vesmíru.

V dnešní době tyto druhy fyzikálních pokusů, označovaných jako srážkové experimenty nové generace, probíhají v Brookhavenské národní laboratoři (Brookhaven National Laboratory) poblíž New Yorku. Podle řady článků v odborném tisku se zde vědcům ve srážkovém urychlovači těžkých iontů (Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC) podařilo připravit neobyčejný stav hmoty, který vyplňoval raný vesmír. K zákmitu takzvaného kvark-gluonového plazmatu došlo při pokusných srážkách s atomy zlata.
Nejprve se experimentovalo s kolizemi atomů zlata s atomy deuteria. Přesněji řečeno, šlo o ionty zlata, neboť atomy byly uměle zbaveny svých elektronových obalů. Jádra deuteria tvoří jeden proton a jeden neutron a při srážkách s těžkými jádry atomů zlata při rychlosti blízké rychlosti světla se tu a tam výjimečně uvolní několik kvarků. Tyto odpoutané kvarky vytvářejí mohutné, energeticky neobyčejně bohaté výtrysky částic. Při srážce atomů zlata a deuteria probíhalo uvolnění v protichůdných směrech. Když se ovšem srazily dva atomy zlata, byl pozorován pouze jeden výtrysk kvarků. To vedlo vědce k domněnce, že druhý byl okamžitě pohlcen extrémně horkým a hustým stavem, který by mohl být kvark-gluonovým plazmatem.

Plazma je označováno jako čtvrtý stav hmoty. Můžeme ale v případě kvark-gluonového plazmatu ještě vůbec hovořit o hmotě, jak ji chápeme z našich dosavadních zkušeností? To asi sotva, neboť hmota, jak z učebnic fyziky pro základní školy víme, je složená z atomů. Zjednodušeně řečeno, je koncentrována do atomových jader, které tvoří protony a neutrony. Její chemické vlastnosti určuje elektronový obal, vytvářející jakési slupky, což je základem periodičnosti prvků. Ty určují schopnost atomu spojovat se s jinými atomy a tvořit molekuly. V případě kvark-gluonového plazmatu by tedy možná bylo vhodnější hovořit o „prahmotě“. Je nutno ještě poznamenat, že jde o extrémně horké prostředí, které je nadto stokrát hustší než hustota panující v atomových jádrech. O jeho dalších projevech a vlastnostech se na vědeckých kolokviích a ve vědeckých periodikách v současnosti vedou vzrušené debaty.

Proč je příprava tohoto stavu prahmoty pro přírodovědu významná? Musíme začít trochu zeširoka. Podle současných poznatků jsou kvarky jedněmi z fundamentálních částic v našem vesmíru. Jedná se o částice, z nichž se zformovala veškerá hmota, když se po dvojících a trojicích ve velmi raném vesmíru „spekly“ v těžší částice, takzvané hadrony. Připomeňme si, že mezi fundamentální částice „Standardního modelu částic a jejich interakcí“ patří šest druhů kvarků, šest druhů leptonů a jejich antičástice. Kvarky, které od sebe odlišujeme podle jednotlivých „barev“ (tyto barvy nemají ovšem nic společného s optickým vjemem), váže silná jaderná interakce, zprostředkovaná gluony. Tato silná jaderná interakce nepůsobí na leptony, jako je např. elektron. Jedná se o mocnou sílu, jež drží kvarky uzamčeny v protonech či neutronech. Má původ ve výměně gluonů mezi jednotlivými kvarky. Pojmenování gluon odkazuje k anglickému slovu „glue „(lepidlo) – gluony hrají totiž opravdu mezi subatomárními kvarky roli jakéhosi lepidla.

Teoreticky předpověděl existenci kvarků již v polovině šedesátých let minulého století americký fyzik Murray Gell-Mann (http://www.nobel.se/physics/laureates/1969/gell-mann-bio.html), jenž rovněž společně s dalšími fyziky vypracoval jejich klasifikaci. Zpočátku hypotetický matematický model, který řada vědců odmítala, se neobyčejně osvědčil, když se v urychlovačích částic ukázalo, že protony a neutrony mají vskutku vnitřní strukturu. Jaké síly drží kvarky uvnitř nukleonů a mezonů pohromadě, osvětlila tzv. „kvantová chromodynamika“ (QCD), vypracovaná Richardem Feynmanem (http://www.nobel.se/physics/laureates/1965/feynman-bio.html) a dalšími fyziky. Jedná se o popis silné jaderné interakce neboli „barevné síly“, jež je zdaleka nejsilnější interakcí v přírodě (je totiž tisíckrát silnější než síla elektromagnetická, která poutá elektrony k jádru). K roztažení dvou kvarků, slepených gluony, na postřehnutelnou vzdálenost by si vyžádalo tak velkou energii, jakou by nedokázal dodat ani urychlovač s obvodem dlouhý jako je obvod zemského rovníku. Paradoxem QCD ovšem je, že tato obrovská silná jaderná interakce je na malých vzdálenostech uvnitř hadronů takřka nulová. Z toho důvodu se kvarky, vázané blízko sebe v párech nebo trojicích, chovají skoro jako nezávislé částice. Fyzikové říkají, že mají „asymptotickou volnost“. I přes velikost a neuchopitelnost kvarků, mohou vědci na základě dat z vysokoenergetických experimentů pomocí velkých urychlovačů částic studovat jejich projevy a ověřovat si tak správnost brilantně formulované QCD.

Způsob, jak oddělit kvarky z nukleonů atomových jader, teoreticky popsali již počátkem 70. let minulého století nukleární fyzici Edward Teller (http://www-hoover.stanford.edu/bios/teller.html) a George Chapline z Lawrenceovy Národní Laboratoře v Livermore. Ve článku pro Physical Review Letters tehdy napsali, že takový experiment by nám mohl odhalit „netušené jevy z oblasti daleko vzdálené od našich zkušeností s hmotou“. Jejich odvážná vize, která takřka upadla v zapomnění, se poprvé podařila uskutečnit před třemi lety.

Po dlouhou dobu si fyzikové totiž mysleli, že je zcela nemožné od sebe kvarky oddělit. Bylo a dosud je jisté, že za běžných podmínek, které panují ve vesmíru i zde na Zemi, nemohou být kvarky volné. Vědci ale na základě výpočtů přišli na to, že při extrémně vysokých energiích se mezi kvarky vytvoří takové množství gluonů, že se jejich vzájemné působení odstíní a vznikne jakási „polévka“ volných kvarků a gluonů, byť jen na nesmírně krátký zlomek času. To je základ teorie, z níž se vychází při přípravě kvark-gluonového plazmatu v urychlovačích těžkých iontů. Ale i to byla po dlouhou dobu jen teorie. Lze vůbec kvarky a gluony v pozemských podmínkách „uvolnit“?

Dnes víme, že ano. Poprvé k tomu došlo v Evropském středisku jaderného výzkumu (CERN) ve Švýcarsku. Na základě několika experimentů zde při čelných srážkách těžkých jader při vysokých energiích vědci na nesmírně krátký okamžik pravděpodobně připravili stav, který odpovídal extrémně horkému a hustému kvark-gluonovému plazmatu (http://cern.web.cern.ch/CERN/Announcements/2000/NewStateMatter). Vědci použili jádra olova, které pomocí urychlovače SPS byla urychlena na energii 160 GeV na nukleon. Celková kinetická energie dosáhla při tomto experimentu neuvěřitelných 33 TeV.

Problém ovšem nespočíval v samotném experimentu, ale v důkazu, zda se stav této hmoty či spíše prahmoty skutečně objevil. Kvark-gluonové plazma totiž existuje jen ve zlomku okamžiku, kdy trvá extrémní hustota a teplota. Hned nato dochází s poklesem těchto hodnot k tzv. „hadronizaci“, kdy – jak nám název napovídá – se kvarky zpětně váží do hadronů. Částice, které vznikly v hadronizaci, tvoří jadernou hmotu ve stavu hadronového plynu. Dochází mezi nimi navíc k velmi silným interakcím, což celou záležitost ještě problematizuje, neboť informace, které nesou o vlastnostech kvark-gluonového plazmatu, se rozmazávají. Získaná data jsou tedy jen zprostředkovaná. Vědci ovšem mají několik způsobů, jak kvark-gluonové plazma identifikovat. Nejdůležitější z nich je potlačená produkce mezonu J/psí.

Zatímco v Evropském středisku jaderného výzkumu byl tento druh experimentů přerušen, pokračovalo se v něm – jak jsme se zmínili na začátku – za oceánem, a to ve srážkovém urychlovači těžkých iontů (RHIC) v Brookhavenské národní laboratoři. Na starém kontinentě se bude příprava kvark-gluonového plazmatu uskutečňovat v roce 2005, kdy by měl být dokončen nově budovaný urychlovač LHC (Large Hadron Collider). Mezitím ovšem řada fyziků vyjádřila značné obavy nad tímto druhem experimentů, které mohou být podle jejich názoru nebezpečné jak pro veškerý život na Zemi, tak i pro existenci celé Sluneční soustavy. O tom ale až v další části našeho seriálu.

Pokračování: Kvarky, gluony a velký třesk

Odkazy:

CERN
http://www.cern.ch
http://public.web.cern.ch/public

Broockhaven National Laboratory
http://www.bnl.gov

autor Jan Kapoun