Vědci na urychlovači relativistických jader RHIC v Brookhavenské národní laboratoři v USA vytvořili nový stav hmoty. Na experimentu se podílela i skupina českých vědců. Výsledky vyvolaly v odborných kruzích doslova senzaci.
Čtyři experimentální skupiny (BRAHMS, PHOENIX, PHOBOS a STAR) provádějící výzkum na urychlovači relativistických jader RHIC v Brookhavenské národní laboratoři ve státě New York v USA oznámily na zasedání Americké fyzikální společnosti v Tampě na Floridě, že se jim podařilo v laboratorních podmínkách vytvořit nový stav horké a husté hmoty.
Jako po velkém třesku
Tento stav hmoty, který existoval ve vesmíru jen několik mikrosekund po velkém třesku, je, jak se již delší dobu předpokládalo, tvořen kvarky a gluony, tedy částicemi, které jsou za normálních podmínek hluboce uvězněny uvnitř protonů a neutronů tvořících atomová jádra. Taková forma hmoty je pravděpodobně jediným konzistentním byť nepřímým vysvětlením předešlých experimentů s jádry, které proběhly při více než desetkrát nižších energiích v Evropské laboratoři částicové a jaderné fyziky CERN ve Švýcarsku.
Nebyly to však jen předpovědi fyziků z pozemských laboratoří, ale o stejné kvark-gluonové hmotě hovoří i astrofyzici, kteří na základě výsledků pozorování rentgenové družice Chandra ohlásili objev „podivné“ kvarkové hvězdy.
Podle výsledků experimentu na urychlovači RHIC byla nyní pomocí mnoha nezávislých měření existence takového nového stavu hmoty skutečně prokázána. Zároveň se ukázalo, jak moc se pozorované vlastnosti horké a husté hmoty liší od všech doposud existujících teoretických předpovědí.
„Opravdově úžasný objev, že nové skupenství vytvořené při střetech zlatých iontů je více kapalinou než plynem nám dává možnost hluboce nahlédnout do nejranějších okamžiků existence vesmíru,” řekl Dr. Raymond L. Orbach, ředitel federálního vědeckého úřadu DOE, „Může to mít hluboký dopad na fyziku ve 21. století.”
Kde se vzala nová hmota?
Nejprve však asi neuškodí trocha teorie o stavbě hmoty. Všechno kolem nás, se skládá z atomů. Ty se zas skládají z velmi malého a hmotného jádra a elektronového obalu kolem něj. Nahlédneme-li ještě hlouběji, zjistíme, že v atomovém jádru se ukrývají kladně nabité protony a neutrální neutrony, ale ani to ještě není konec, protože uvnitř těchto částeček hmoty existují ještě menší, kvarky a gluony. Za normálních okolností ale tyto částice nemohou existovat samostatně, poutají je k sobě neuvěřitelně silné vazby. Ty mohou povolit jen při obrovském tlaku zvenčí. Kvarky a gluony se tak na skutečně nepatrný okamžik „osvobodí“ a vznikne zmiňovaná nová forma hmoty, kvark-gluonové plazma.
Téměř rychlostí světla
A jak se taková nová hmota vyrábí? Při experimentu vháněli vědci obrovskou rychlostí do tunelu urychlovače jádra zlata. Aby dosáhli kýženého výsledku, vháněli je proti sobě navzájem a navíc je ještě urychlovali. Taková urychlená jádra proletí tunelem 80 000krát za sekundu a nelze se pak divit, že se v té rychlosti, dosahující 99, 995 procenta rychlosti světla, srazí. A na to právě vědci čekají. Místo kde se jádra srážejí je totiž uvnitř velkého magnetu obklopeno soustavou citlivých detektorů, které dovedou po srážce vyletující částice rozpoznat a rekonstruovat dráhu jejich letu. Podle jejich rychlosti a směru se pak dá vypočítat o jaké částice se jedná.
Miniaturní černá díra
Při takové srážce jader dojde k jejich prudkému stlačení a zahřátí, přičemž se protony a neutrony tvořící jadernou hmotu doslova rozpustí a vznikne nové skupenství, plazma z kvarků a gluonů, a nová hmota je na světě.
Podle jednoho z českých účastníků experimentu, Michala Šumbery z Ústavu jaderné fyziky AV ČR, není kulička nové hmoty o mnoho větší než jádro atomu, ale je více než padesátkrát hustší. Uvnitř je temně neprůzračná. Extrémní síly mezi kvarky a gluony tvořícími plazmu totiž brání úniku částic z jejího středu. Vzniklý objekt tak uvnitř připomíná miniaturní černou díru.
Překvapivá ideální kapalina
V textech shrnujících výsledky prvních pěti let studia extrémních stavů jaderné hmoty na urychlovači RHIC vědci s překvapením konstatují, že nový stav hmoty se spíše než plynu volných kvarků a gluonů, jak bylo teoreticky předpovězeno, podobá ideální kapalině. Podrobná analýza experimentálních dat jim totiž umožnila dojít k závěru, že částice vzniklé na samém počátku srážky dvou relativistických jader projevují velký sklon k doslova kolektivnímu pohybu, který je charakteristickou vlastností kapalin. Avšak na rozdíl od obyčejných kapalin, kde se jednotlivé částice (molekuly) pohybují do značné míry chaoticky, vykazuje nový stav hmoty vysoký stupeň organizovanosti, připomínající tak trochu pohyb rybího potěru. To je poněkud překvapující, uvědomíme-li si, že nový stav hmoty, který je vlastně nejideálnější známou kapalinou, teče prakticky bez tření při teplotách stotisíckrát větších, než je teplota ve středu Slunce.
„Nalezení téměř dokonalé kapaliny v laboratorním pokusu, který obnovuje podmínky existující několik mikrosekund poté co se zrodil vesmír, je opravdu udivující,“ prohlásil Praveen Chaudhari, ředitel Brookhavenské laboratoře. „Čtyři týmy nyní sbírají a analyzují velké množství nové získaných údajů. V blízké budoucnosti proto očekávám v této souvislosti další překvapující a vzrušující odhalení.”
České želízko v ohni
Jednoho se čtyř experimentů na urychlovači RHIC se zúčastnila i skupina osmi vědců a doktorandů z Ústavu jaderné fyziky a Fyzikálního ústavu AV ČR a spolu s nimi i dva další mladí vědci z ČR, kteří jsou na postdoktorandské stáži na Yealské univerzitě. Skupina se „usídlila“ v jedné ze čtyř laboratoří (STAR), umístěných po obvodu tunelu, a jejím úkolem byla analýza kolektivního pohybu částic, „zrozených“ v pozdějším stádiu jaderné srážky. Cílem jejich práce bylo zjistit, zda a jak se počáteční pohyb horké a husté kvark-gluonové hmoty projevuje na vlastnostech chladnější hadronové hmoty, v níž jsou kvarky a gluony opět uvězněny do protonů a neutronů.
Americký urychlovač RHIC
V roce 2001 začal v americké laboratoři v Brookhavenu pracovat nový urychlovač těžkých jader RHIC, který sice urychluje jádra přibližně na stejnou energii jako urychlovač SPS ve švýcarském CERN, ale přesto se při srážce dosahuje daleko vyšší energie. V případě SPS totiž dopadají urychlená jádra na nehybný terč. Urychlovač RHIC naopak dokáže svazek urychlených jader rozdělil do dvou částí pohybujících se proti sobě ve dvou prstencích. Tyto prstence se v několika místech protínají a v nich dochází ke srážkám urychlených jader. Energie srážky je tak v případě urychlovače RHIC více než dvacetkrát větší. Ve čtyřech místech křížení jsou postaveny dvě větší (STAR a PHOENIX) a dvě menší (BRAHMS a PHOBOS) experimentální zařízení, která studují pomocí složitých systémů mnoha detektorů různé vlastnosti relativistických srážek těžkých jader a hmoty, která při nich vzniká.
Kvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky down a up, druhou kvarky strange a charm a třetí kvarky beauty a truth.
Gluony – intermediální částice silné interakce. Působí jen na hadrony. Jde o sílu, která spojuje kvarky v mezony a baryony. Sílu, která udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a sílu, způsobující některé rychlé rozpady elementárních částic. Silná interakce má krátký dosah srovnatelný s rozměry atomového jádra.
Kvark-gluonové plazma (QGP) – podaří-li se nám „dostat“ kvarky na vzdálenosti menší než 10−15 m, začnou se kvarky a gluony chovat jako volné (nevázané) částice. Tím vznikne zcela zvláštní stav hmoty nazývaný kvark-gluonové plazma.
