Vědci ve srážkovém urychlovači vytvořili kapičky hmoty z raného vesmíru

- Nedd autor: Pavel Vachtl

Krátce po Velkém třesku existovala hmota ve vesmíru ve stavu, zcela odlišném od podoby, ve které ji známe dnes. Byla velmi stlačená, hustá a podrobená extrémně vysokým tlakům a teplotám, které dnes ve vesmíru pravděpodobně už nikde neexistují. Přesto se americkým fyzikům podařilo takovou hmotu vyrobit ve srážkovém urychlovači.

Fyzikům se podařilo vytvořit kapičky hmoty, která vznikla bezprostředně po Velkém třesku. Ilustrační snímek

Fyzikům se podařilo vytvořit kapičky hmoty, která vznikla bezprostředně po Velkém třesku. Ilustrační snímek,zdroj: Profimedia.cz

V tehdejší stlačené hmotě vesmíru neexistovaly dnešní atomy látky, ba ani částice, ze kterých se atomy bezprostředně skládají, tedy například protony a neutrony. I tyto částice byly tehdy rozdrceny na ještě menší, takzvané kvarky. Kvarky se navíc chovaly prakticky jako volně "plovoucí" částice, i když se nacházely velmi blízko sebe (to je základní paradoxní vlastnost takzvané silné jaderné síly, která kvarky ovládá - čím jsou od sebe dál, tím se přitahují více a naopak).

Proto se tehdejšímu stavu látky, který trval zhruba několik desítek mikrosekund, říká "kvarková polévka" respektive přesněji "kvark-gluonové plazma" (gluony jsou částice, pomocí nichž na sebe kvarky navzájem silově působí čili vzájemně interagují).

Je otázka, jestli i v dnešním chladném a řídkém vesmíru lze pozorovat nebo vytvořit hmotu v podobném stavu. Kupodivu se ale ukazuje, že to možné je - velmi malé kapičky podobné "kvarkové polévky" lze vytvořit například ve vakuových komorách některých urychlovačů, pokud v nich vyvoláme velmi prudké srážky jistých částic, urychlených na lehce podsvětelné rychlosti.

Pokusy už od 80. let

Vytvořit "kvarkovou polévku" se pokoušeli již v 80. a 90. letech minulého století fyzikové v CERNu pomocí srážek dvou těžkých atomových jader. Novější experimenty se snaží využít za stejným účelem poněkud lehčí částice, se kterými se v urychlovačích pracuje lépe.

Aktivitu v tomto směru v poslední době vyvíjejí zejména američtí fyzikové z Coloradské univerzity v Boulderu, ve spolupráci s kolegy z Brookhaven National Laboratory v New Yorku. Jako nástroj si vybrali speciální srážkový urychlovač, nazvaný Srážeč relativistických těžkých iontů (Relativistic Heavy Ion Collider - RHIC). Jejich experiment dostal název PHENIX. Oč v tomto experimentu šlo?

Fyzici nejdříve ve svém srážeči pomocí elektromagnetického pole urychlovali na relativistické (podsvětelné) rychlosti různé lehčí elektricky nabité částice. Šlo o tyto základní varianty - protony, tzv. deuterony (atomové jádro těžkého vodíku tvořené párem protonu a neutronu) a také jádra atomu helia-3.

Po jejich urychlení, kdy dotyčné částice získaly dostatečnou porci energie, byly svazky částic vrženy na terčík z čistého zlata. Zde došlo k prudkým srážkám nabitých částic s jádry zlata a ve velmi malých objemech byl lokálně a dočasně vyvolán extrémní tlak a teplota řádově několik bilionů stupňů.

Zároveň zde na chvilku vznikly malé kapičky "kvarkové polévky", tedy prvotní hmoty našeho vesmíru, které se po svém vzniku rozpínaly a chovaly v podstatě jako ideální nestlačitelná kapalina bez tření. Chování těchto kapiček se ale poněkud lišilo podle toho, jaký typ (respektive jaká kombinace) částic byl proti zlatému terčíku vržen.

Tvary kapiček kvarkové polévky a jejich rozpínání

Pokud kapičky "kvarkové polévky" vznikly srážkou jader zlata a protonů (jader lehkého vodíku), rozpínaly se do všech stran rovnoměrně, měly tvar kruhu. Pokud místo protonů do jader zlata narazily deuterony, tedy dvočásticová jádra těžkého vodíku, expanze probíhala ve formě elipsy. Pokud byly jako projektily vybrány jádra helia-3 (tedy kombinace proton-proton-neutron v atomovém jádře), vznikl jakýsi trojúhelníkový obrazec.

Výsledný jev tedy jasně souvisel s počtem jaderných částic, které vyvolaly srážku. Na daném místě pak ve skutečnosti vznikly jedna, dvě nebo tři menší kapičky, které se vzápětí slily a dohromady spoluvytvořily kapičku větší, což určilo její tvar. Uvědomme si zároveň, že délkové rozměry kapiček se pohybovaly v řádu femtometrů (přičemž jeden femtometr = deset na minus patnáctou metru).

Studium vlastností a vývoje těchto kapiček, které vzniknou pomocí popisovaných srážek ve výkonném urychlovači, může dát vědcům důležité informace o tom, co se dělo ve velmi raném vesmíru, v rozmezí do cca 30 mikrosekund po Velkém třesku. Také jak např. "kvarková polévka" během následujících milisekund chladla a jak se z kvarků postupně vytvářely složené částice a z nich pak i jádra atomů. 

V tomto smyslu se můžeme těšit, co se stane za dva roky, až bude dokončen plánovaný upgrade Velkého hadronového urychlovače LHC v CERNu. LHC pak totiž bude schopen do podobných srážek "naládovat" ještě více energie než dnešní rekordní srážkový urychlovač RHIC, a obě pracoviště tak mohou vzájemně soutěžit (také experiment PHENIX bude brzy upgradován do podoby nazvané sPHENIX, která bude mít dokonalejší detektor). Budeme také moci výsledky obou pracovišť ohledně tvorby a vlastností "kvarkové polévky" mezi sebou porovnávat a kombinovat.

Tagy: atom fyzika Vesmír Velký třesk věda a poznání částicová fyzika