Podivná hmota aneb mohou chystané experimenty v Brookhavenu opravdu způsobit zánik Země?

V polovině července uveřejnily londýnské noviny „Sunday Times“ článek s názvem „Big bang zařízení může zničit Zemi“. Článek pojednával o nadcházejících experimentech, které se připravují na právě dokončovaném urychlovači laboratoře v Brookhavenu. Článek varuje před možností, že by tyto experimenty mohly způsobit nové exotické jevy vedoucí ke zničení Země. Protože v poslední době přetiskly informace z tohoto článku i některé české noviny, podívejme se podrobněji, jestli k něčemu takovému opravdu může dojít.

Krátce po Velkém třesku, při výbuchu supernovy, uvnitř neutronové hvězdy či v jádrech galaxií se můžeme setkat s hmotou ve velmi hustém a horkém stavu. Taková hmota je několikanásobně hustější než hmota v atomovém jádře. Abychom pochopili a dokázali popsat i předpovědět chování zmíněných vesmírných objektů, musíme znát chování této velmi husté hmoty. Přestože jde o extrémní stav , máme možnost jej zkoumat i v pozemských laboratořích. Takovou možností je urychlení co nejtěžšího atomového jádra na co největší energii (tj. na rychlost blízkou rychlosti světla) a jeho srážku s jádrem dalším. Při srážce vzniká na nepatrně krátký okamžik velmi malá oblast extrémně husté a horké jaderné hmoty. Zkoumáním částic vyletujících z  takové oblasti můžeme určit teplotu, hustotu a další vlastnosti vznikající husté a horké jaderné hmoty.

 Takové experimenty byly zahájeny na počátku osmdesátých let právě v Berkeley, kde byl poprvé vybudován urychlovač těžkých jader, který umožnil dosáhnout kinetickou energii urychlených jader okolo 1 GeV na jeden nukleon. Protože klidová hmotnost nukleonu je ekvivalentní energii přibližně 1 GeV, bylo dosaženo velikosti kinetické energie srovnatelné s energií klidovou. Pro jádro zlata, které má 197 nukleonů byla celková kinetická energie okolo 197 GeV. Při těchto experimentech se potvrdilo, že se při srážce takto urychlených jader opravdu vytvoří oblast husté a horké jaderné hmoty. Pro zmíněné energie byly získány hustoty s hodnorou 2 až 3 násobku normální hustoty v jádře, která je 3x1017 kg/m3. Teplota dosažená v centru srážky byla 1.5x1012 K (150 MeV). Následovaly další experimenty i v dalších laboratořích a v současné době rekordní energie urychlených jader byly dosaženy v mezinárodní evropské laboratoři CERN na hranicích Švýcarska a Francie. Při experimentech s jádry olova s energií 200 GeV/nukleon byly získány hustoty a teploty, při kterých by už mohla vznikat nová forma jaderné hmoty - zatím hypotetické kvark-gluonové plazma. Náznaky její existence se při experimentech projevily, ale pro definitivní potvrzení nebyly dostatečně průkazné.

 

                  

 

Abychom si osvětlili o jakou formu hmoty by se mohlo jednat, zopakujme si některé základní znalosti o stavbě hmoty. Podle současných poznatků se veškerá hmota skládá ze šesti kvarků, šesti leptonů a jejich antičástic. Kvarky i leptony jsou rozděleny do tří rodin vždy po dvou kvarcích a dvou leptonech. První rodinu tvoří kvarky up (u), down (d) a leptony elektron (e) a elektronové neutrino (nýe). Z těchto dvou typů kvarků jsou složeny protony a neutrony (každý obsahuje tři kvarky), které jsou stavebními kameny atomového jádra. Atomové jádro pak společně s elektrony vytváří atomy a veškerou rozmanitost našeho běžného světa. Druhou rodinu tvoří kvarky s, c a leptony mí, ný a třetí kvarky b, t a leptony tau, nýtau . Částice, které jsou tvořeny kvarky z druhé a třetí rodiny, byly nalezeny v kosmickém záření a pomocí experimentů na urychlovačích. Každý kvark a lepton mají navíc svoji příslušnou antičástici. Mezi těmito částicemi působí čtyři interakce, které se realizují výměnou zprostředkujících částic (intermediálních bozonů). U gravitační interakce je to graviton, u elektromagnetické foton, u slabé bozony W_, W+, Z0 a u silné osmice gluonů. Známé elementární částice se tak skládají buď ze tří kvarků (baryony - například již zmiňovaný neutron a proton) nebo z kvarku a antikvarku (mezony). Do elementárních částic spojuje kvarky zmíněná silná interakce, zprostředkovaná gluony. Za normálních podmínek nemohou být kvarky volné a jsou vždy vázány do částic popsaným způsobem. Předpokládá se však, že při velmi vysokých hustotách energie by se v prostoru mezi kvarky mělo vyskytovat takové množství gluonů, že vzájemné silové působení mezi nimi odstíní. Dostaneme tak směs volných kvarků a gluonů, tedy již zmíněné kvark-gluonové plazma.

Kvark-gluonové plazma, které by se skládalo jen z "obyčejných" kvarků z první rodiny u a d, by bylo nestabilní a jeho existence by byla omezena jen na dobu, kdy by existovaly podmínky s velmi vysokou hustotou. Jestliže však kvark-gluonové plazma obsahuje příměs podivných kvarků s, mohl by být takto extrémní stav hmoty stabilní i za normálních podmínek. Pro některé modely takové formy hmoty totiž dostáváme, že by kvark-gluonové plazma s příměsí podivných kvarků mohlo být vůbec nejstabilnější formou hmoty. Její kousky, které by mohly vznikat právě při srážkách jader při velmi vysokých energiích, se anglicky nazývají „strangelets“ a česky by se jim mohlo říkat podivnůstky.

A právě tyto podivnůstky jako startér přeměny normální hmoty v jinou dosud neznámou formu, jsou zmiňovány v článku v londýnských novinách. Jako další možnost byl uveden vznik mini černé díry. Takové objekty sice mohou ve Vesmíru existovat, ale jejich vznik při srážkách těžkých jader odporuje známým fyzikálním zákonům a z této strany nám v experimentech na novém urychlovači RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) v Brookhavenu ani hypoteticky žádné nebezpečí nehrozí. Ovšem vznik stabilního kousku kvark-gluonového plazmatu s příměsí podivných kvarků - podivnůstky - dosud známé fyzikální zákony nevylučují. Vznik obyčejného kvark-gluonového plazmatu na urychlovači RHIC je velmi pravděpodobný a odborníky se předpokládá. Existenci stabilních podivnůstek předpovídají jen některé modely popisující chování jaderné hmoty a možnost jejich existence nelze zatím ani prokázat ani vyloučit. Ovšem i v případě jejich vzniku bude možnost jejich interakce s normální hmotou velmi omezená. Podivnůstky by s normální hmotou mohly koexistovat díky coulombovské bariéře mezi podivnou hmotou a kladně nabitými jádry normální hmoty, i když by bylo energeticky výhodnější, kdyby se normální hmota přeměnila na podivnou. Tuto coulombovskou barieru způsobují elektrony, které jsou obsaženy v podivné hmotě spolu s kvarky a o kterých jsme se zmiňovali výše. Ty mohou sice prostupovat povrch, neboť neinteragují silně, nemohou však uniknout příliš daleko díky elektrickému přitahování kvarků. I tak je však vrstva elektronů široká 103 fm na rozdíl od povrchové vrstvy kvarků, která je díky silné interakci jen 1 fm. Vrstva elektronů vytváří již zmiňovaný silný spád elektrického pole (vysokou povrchovou hustotu náboje), který odpuzuje ionty normální hmoty.

Tato podmínka není splněna v případě, kdy je hmota složena z neutronů, jako je tomu v případě neutronové hvězdy. V tomto případě coulombovská bariera nebrání dostatečnému přiblížení podivnůstky a neutronu. Když se podivnůstka s neutronem setká, je jí neutron pohlcen. Podivnůstka, která se dostane do neutronové hvězdy, bude narůstat absorpcí neutronů a přemění případně neutronovou hvězdu na hvězdu složenou s podivného kvark-gluonového plazmatu - podivnou hvězdu. Taková přeměna by byla velkolepou událostí. Jediná malá podivnůstka může spustit přeměnu, která uvolní vazbovou energii okolo 1046 J. Taková energie už by pak případně postačovala i na vysvětlení extragalaktických záblesků záření gama. Existence hypotetických podivných hvězd se odborníky uvažuje. O jejich stavbě, vlastnostech, a možnostech případné identifikace a odlišení od neutronových hvězd jsem napsal podrobnější populární článek, který vyšel v letošním třetím čísle časopisu Kozmos.

Je vidět, že vznik podivnůstky při experimentech na urychlovači RHIC nelze na základě známých fyzikálních zákonů vyloučit. Nelze ani vyloučit její velmi bouřlivou reakci s normální jadernou hmotou při uvolnění obrovského množství energie, i když by asi mohla proběhnout pouze v prostředí složeném z neutronů. Jak lze tedy vymezit pravděpodobnost takové události při chystaných experimentech? Vymezení nám poskytují právě kosmické děje. Při nich v různých procesech může docházet k urychlení atomových jader na energie i o mnoho řádu vyšší, než jsou ty, které jsou dosažitelné na pozemských urychlovačích. Tato jádra se vyskytují v kosmickém záření, které prostupuje celý vesmírný prostor, a dopadají i do atmosféry Země. Hustota tohoto zdroje jader s velmi vysokou energií je malá. Vzhledem k obrovským rozlohám povrchu Země, jiných planet a dalších vesmírných těles i neustálé jeho činnosti po dobu miliónů až miliard let, je však celková statistika počtu srážek s podobnými charakteristikami jako na urychlovači RHIC nesrovnatelně vyšší než lze na urychlovači dosáhnout. Můžeme si být jisti, že ať už se nám podaří pomocí urychlovače vytvořit jakkoliv exotický jev, tak to nebude nic, co by v přírodě v našem vesmírném okolí běžně neprobíhalo. A víme, že toto okolí je po dobu miliard let stabilní a žádnému takovému katastrofickému jevu nedošlo.

O tom, že experimenty v Brookhavenu na urychlovači RHIC, který v polovině června poprvé urychloval jádra zlata, nepředstavují pro Zemi žádné riziko, jsem plně přesvědčen. Stejně jako další čeští fyzikové, kteří se účastní projektu ALICE, který by měl na budovaném urychlovači LHC (Large Hadron Collider) v laboratoři CERN od roku 2005 studovat srážky těžkých jader při ještě vyšších energiích (6300 GeV/nukleon), než jsou možné v Brookhavenu.

                                                                                                             Vladimír Wagner

 


Zpet