Existence kvark-gluonového plazmatu potvrzena?

Před dvěma týdny se v Evropském středisku jaderného výzkumu (CERN) v Ženevě konal slavnostní seminář a tisková konference, kde byly prezentovány velmi silné důkazy existence nové formy hmoty - kvark-gluonového plazmatu. Úspěchu v cestě za “Svatým Gralem” jaderné fyziky vysokých energií bylo dosaženo v experimentech, při kterých se srážela jádra olova urychlená na velmi vysokou energii s jádry olova v pevném terči. Jak už jsem popisoval v příspěvku v IAN č. 180, vzniká při takové srážce na nesmírně krátký okamžik velmi malá oblast extrémně husté a horké hmoty. Taková hmota existovala krátce po Velkém třesku, vyskytuje se při výbuchu supernovy, uvnitř neutronové hvězdy či v jádrech galaxií. O jakou formu hmoty  jde, jakým způsobem byla její existence prokázána a jaký význam to má pro poznání struktury a vývoje Vesmíru?

Jak už jsem uváděl v IAN č. 180, základními stavebními kameny našeho světa podle současných poznatků jsou šestice kvarků (u, d, s, c, b, t), šestice leptonů (e, ný e, mí , ný, tau, ný tau) a jejich antičástice. Kvarky váže silná interakce (na leptony nepůsobí) do elementárních částic nazývaných hadrony, které se skládají buď ze tří kvarků (baryony - například neutron a proton) nebo z kvarku a antikvarku (mezony). Kvarky mají specifickou vlastnost (kvantové číslo), které nazýváme barvou. U každého typu kvarků existují tři různé barvy. Silná interakce je zprostředkována osmicí gluonů. Za normálních podmínek nemohou být barevné kvarky volné a jsou vždy vázány do bezbarvých hadronů popsaným způsobem. Předpokládá se, že při velmi vysokých hustotách energie je v prostoru mezi kvarky takové množství gluonů, že vzájemné silové působení mezi nimi odstíní. Dostaneme tak směs volných kvarků a gluonů, tedy právě zmiňované kvark-gluonové plazma.

V laboratoři můžeme takovou extrémní formu hmoty získat ve srážkách těžkých jader urychlených na velmi vysokou energii. V případě experimentů v laboratoři CERN byla jádra olova, které mají 208 nukleonů urychlena urychlovačem SPS na energii 160 GeV na nukleon a celková kinetická energie tak dosáhla okolo 33 TeV. Podle teoretických předpovědí by za těchto podmínek kvark-gluonové plazma vznikat mělo, avšak jeho prokázání je nesmírně těžké. Existuje totiž jen po velmi kratkou dobu, kdy trvají velmi vysoké hustoty a teploty. Kvarky nemohou opustit tuto oblast jako volné, ale jedině vázané do hadronů. Proces, kdy se kvarky v expandujícím a ochlazujícím kvark-gluonovém plazmatu váží do hadronů, nazýváme hadronizací. Jestliže při srážkách v CERNu vznikne v každé srážce průměrně okolo 2500 částic, tak 99,9% z nich jsou hadrony. Jedině zkoumáním částic vyletujících z místa srážky můžeme určit teplotu, hustotu a další vlastnosti vznikající husté a horké hmoty a prokázat její fázový přechod do nového stavu – kvark-gluonového plazmatu. Navíc částice vzniklé v hadronizaci a tvořící jadernou hmotu ve stavu hadronového plynu mezi sebou velice silně interagují a informace, které nesou o vlastnostech kvark-gluonového plazmatu se rozmazávají. Získaná informace je tedy jen zprostředkovaná.

Možný vznik kvark-gluonového plazmatu byl studován v sedmi různých experimentech, které se zaměřovaly na různé jeho vlastnosti a detekci různých částic. Náznaky existence jevů, které doprovázejí existenci kvark–gluonového plazmatu, se objevily už v prvních experimentech  po roce 1994, avšak výsledky jednotlivých experimentů se daly vysvětlit i vlastnostmi normální jaderné hmoty. Vysvětlení poznatků z komplexní analýzy a porovnání různých experimentů se však nejspíše už bez existence kvark- gluonového plazmatu neobejde. Podívejme se na čtyři základní fyzikální jevy, které fyzikové z CERNu považují za nejsilnější argumenty potvrzující vznik kvark-gluonového plazmatu.

První získáváme ze studia rozložení hybnosti (respektive její složky kolmé ke směru srážejících se jader) pro řadu různých hadronů, které opouštějí místo srážky. Z takových spekter můžeme zjistit teplotu jaderné hmoty v okamžiku, kdy jí částice opouštěla. Jde o podobnou situaci, jakou je v astrofyzice určení teploty tělesa z energetického spektra fotonů, které vyzařuje. Z měření impulsu hadronů můžeme získat i údaje o rychlosti, se kterou horká a hustá hmota expandovala. Údaje naměřené v experimentech NA44, NA45/CERES, NA49, NA50, NA52, NA57/WA97 a WA98 odpovídají plně naším představám, že při srážce dosahujeme teplot potřebných pro vznik kvark-gluonového plazmatu a dynamické vlastnosti jaderné hmoty rozpínající se po srážce splňují naše představy získané z hydrodynamických modelů.
 
Druhým jevem, pozorovaným při velmi vysokých energiích srážky v experimentech NA57/WA97, NA49 a NA50, je zvýšená produkce hadronů obsahujících jeden nebo více podivných kvarků s ve srovnání s počtem, který vypočteme, když budeme předpokládat jejich vznik pouze ve srážkách nukleonů. Takový narůst podivnosti je velice obtížné vysvětlit v případě, že vzniká pouze jaderná hmota ve stavu hadronového plynu, protože při srážkách hadronů vznikají podivné částice s velmi malou pravděpodobností. Naopak pravděpodobnost produkce podivnosti při srážkách kvarků a gluonů v plazmatu a následné hadronizaci je velmi vysoká.

Zvýšená produkce elektron-pozitronových párů v oblasti invariantních hmotností menších než 800 MeV byla pozorována v experimentu NA45/CERES. Invariantní hmotnost je klidová hmotnost částice vypočtená z dvojice zachycených leptonů za předpokladu, že pocházejí z jejího rozpadu. Tento jev můžeme vysvětlit změnou vlastností mezonu ró, který vzniká v horké a husté jaderné hmotě a velmi rychle se ještě uvnitř ní rozpadá na dvojici elektron a pozitron. Jeho hmotnost a doba života by měla záviset na hustotě a teplotě okolní hmoty.

Nejvýznamnějším příznakem fázového přechodu je potlačení produkce mezonu nazývaného J/psí, které bylo pozorováno v experimentu NA50. Mezon J/psí je silně vázaným systémem kvarku c a anti-c. V kvark-gluonovém plazmatu se díky odstínění těchto kvarků možnost vzniku tohoto mezonu silně snižuje. Vznik a velikost pozorovaného potlačení produkce mezonu J/psí nelze uspokojivě vysvětlit bez přítomnosti nového stavu hmoty.

Tyto sice nepřímé důkazy, ale v souhrnu velmi přesvědčivé, potvrzují existenci kvark-gluonového plazmatu. Mělo by následovat definitivní potvrzení  a podrobné zkoumání jeho vlastností za různých podmínek. K tomu však potřebujeme, aby plazma vznikalo ve větším objemu. Tedy ještě vyšší energie urychlovaných jader, než je možno dosáhnout na urychlovači SPS. Z tohoto důvodu štafetu přebírají američtí fyzikové na dokončovaném urychlovači RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) v Brookhavenu, který umožňuje srážet proti sobě letících jadra s energií 100 GeV/nukleon. V těžišťové soustavě tak dostaneme téměř dvanáctkrát vyšší energii než při použití pevného terče na SPS. V roce 2005 by se pak štafetový kolík měl opět vrátit do Evropy, kde bude na budovaném urychlovači LHC (Large Hadron Collider) každé proti sobě letící jádro mít energii 2.7 TeV/nukleon a energie v těžišti bude více než 300 krát větší než na SPS. V těchto experimentech bude vyzařováno z oblasti kvark-gluonovém plazmatu dostatek fotonů, abychom toto záření blízké záření černého tělesa zkoumali. Protože tyto fotony neinteragují s hadronovým plynem, budou kýženým přímým důkazem tohoto nového stavu hmoty.

Prokázání existence kvark-gluonového plazmatu, znalost jeho vlastností a způsobu přechodu v hadronový plyn jsou klíčové pro pochopení ranného stádia vývoje Vesmíru. Musíme ovšem mít na paměti některé důležité rozdíly v procesu hadronizace ve srážkách těžkých jader a hadronizace při Velkém třesku. Je to hlavně rozdílná časová škála. Zatímco srážka těžkých jader trvá řádově jen 10-22s, trvala hadronizace za ranného Vesmíru řádově 10-6 s. Tento rozdíl je způsoben zpomalováním expanze Vesmíru gravitací a způsobuje například to, že se při hadronizaci v ranném Vesmíru stihly rozpadnout téměř všechny vznikající nestabilní částice. Souběžná existence hmoty ve formě hadronového plynu a kvark-gluonového plazmatu by se mohla, pokud by existovala, projevovat vznikem míst s různou baryonovou hustotou. To by se mohlo promítnout do následující primordiální nukleosyntézy, kdy by se mohly produkovat kromě 4He i těžší jádra 7Li, 9Be a 12B. Velice atraktivní by byla i možnost přeměny bublin kvark-gluonového plazmatu v primordiální černé díry, i když tato možnost se dnes jeví jako velmi nepravděpodobná. Mnohem pravděpodobnější se zdá možnost vzniku primordiálních podivnůstek, protože prokázání existence "normálního” kvark- gluonového plazmatu zvyšuje pravděpodobnost existence stabilního kvark- gluonového plazmatu s příměsí podivných kvarků. Možnost existence takového plazmatu ve formě malých kousků (podivnůstek) nebo ve formě celých podivných hvězd jsem podrobněji diskutoval v příspěvku v IAN č. 180. Podrobnější článek o zkoumání kvark-gluonového plazmatu a jeho významu pro astrofyziku připravuji pro nejbližší číslo časopisu Kozmos.

Vladimír Wagner

 

Zpet