Objevování kvark-gluonové plasmatu a jeho význam pro raný vesmír
Po okamžicích po velkém třesku se stav mladého vesmíru rychle měnil: v prvních milióntinách sekundy naplnila vesmír takzvaná kvark-gluonová plasma, v níž volně existovaly kvarky a gluony. Velmi brzy se však hmotnost ochladila natolik, že mohly začít vznikat protony a neutrony, ve kterých se subatomární částice dostaly do vázaného stavu. Jednou z nejdůležitějších otázek týkajících se kvark-gluonové plasmy je, kdy došlo k bodu, kdy se prapůvodní „polévka“ začala měnit na hadronickou hmotu, která je i dnes základním stavebním kamenem našeho světa.
Kartografování fázového diagramu může přispět k lepšímu porozumění změnám, fungování a evoluci vesmíru, avšak pozorování chování kvark-gluonové plasmy není jednoduchý úkol – částečně proto, že dnes existuje pouze v urychlovačích částic, a také proto, že existuje jen na zlomek sekundy, než se změní na hadronickou hmotu.
Ve Výzkumném ústavu národním Brookhaven (RHIC) vědci experimentují s vytvářením kvark-gluonové plasmy. V nedávném výzkumu změřili teplotu tohoto „před-prvního“ stavu za pomoci párů elektron-pozitron, což je klíčový aspekt určování přechodu mezi fázemi. Při experimentu, na kterém se podíleli i maďarští vědci, se podařilo vygenerovat plazmu o teplotě 3,3 biliónu stupňů Celsia střetnutím zlatých jader – což je přibližně 220 tisíckrát teplejší než centrum Slunce, které má 15 milionů stupňů.
„Kvark-gluonová plasma (QGP) je nejteplejší hmota, kterou můžeme na Zemi vytvořit,“ prohlásil Zaochen Ye, člen spolupráce STAR na základě zprávy z Národního laboratoře Brookhaven. „Teplota QGP je nejdůležitějším termodynamickým parametrem, který potřebujeme k popisu vlastností této extrémní hmoty. Na RHIC nyní poprvé můžeme přímo měřit tuto teplotu pomocí elektronů a jejich antičástic.“
Speciální na experimentu je, že měření byla prováděna při různých energetických srážkách pomocí detektoru STAR, což poskytuje přehled o vlastnostech kvark-gluonové plasmy jak v rané fázi, kdy se generovaná ohnivá koule rychle rozpíná, tak v pozdější fázi procesu, přímo předtím, než se QGP ochladí a začnou se měnit na subatomární částice.
„Tento výsledek je velmi důležitý, protože se nám podařilo změřit tuto teplotu nezávislým způsobem a navíc v různých časových okamžicích ochlazení média. To také otevírá cestu pro experimentální určení energetiky potřebné k vytvoření kvarkové hmoty,“ uvedl Csanád Máté, vedoucí skupiny ELTE RHIC-Madarsko, který se zúčasnil kontroly analýzy a zveřejněného článku STAR. Členové výzkumné skupiny ELTE (Nagy Márton, Kincses Dániel a jejich studenti) se dlouhodobě podíleli na shromažďování dat z experimentu STAR a pracují na analýze těchto dat, zaměřujíce se na femtoskopické měření.
„Tímto způsobem jsme mohli téměř přesně určit, kde dochází k fázi přechodu,“ vysvětlil Zhangbu Xu, fyzik z STAR a profesor na Kent State University. „Zjistili jsme, že všechny měřené teploty v pozdní fázi při různých energiích se shodují s očekávanou teplotou při fázovém přechodu. To bylo překvapivé a radovali jsme se z tohoto objevování.“
Teplota 3,3 biliónu stupňů Celsia představuje neuvěřitelně vysokou hodnotu, ale podle Guinnessovy knihy rekordů vědci tímto výsledkem nepřekonali rekord: dosud nejvyšší teplota podle Guinessovy knihy činí 4 bilióny stupňů Celsia – tuto teplotu rovněž vytvořili v Národním laboratoři Brookhaven při srážkách zlato iontů při zkoumání tajemství kvark-gluonové plasmy v roce 2005. Ve skutečnosti už byla tato hranice překročena jiným experimentem: na Velkém hadronovém srážeči CERN v roce 2012, opět kvůli zkoumání kvark-gluonové plasmy, dosáhli vědci teploty 5,5 biliónu stupňů Celsia při srážkách olověných iontů.
Výzkumníci nyní hledají kritický bod vzniku vesmíru, aby objasnili, co se stalo v klíčovém okamžiku po velkém třesku.
