Srážky atomových jader olova produkují kvark-gluonové plazma

Vladimír Wagner

Experimenty ALICE, ATLAS a CMS získávají velmi zajímavé informace o chování velmi husté a horké jaderné hmoty. Studují hmotu, která je velmi podobné hmotě velmi ranného období našeho vesmíru, kdy byl mladší než deset mikrosekund.

Nedávno jsem v článku na Oslovi informoval o zahájení programu s urychlováním a srážením jader olova na urychlovači LHC. A již nyní se objevily dvě publikace experimentu ALICE, který je zaměřen právě na tento typ fyziky, a článek experimentu ATLAS, které informují o prvních zajímavých výsledcích. Připravuje se článek experimentu CMS a další publikace všech tří LHC experimentů, které srážky olova studují. Než si povíme o pozorováních, o kterých experimenty na urychlovači LHC informují, připomeňme si některé znalosti o struktuře hmoty, které v našem výkladu budeme potřebovat.

Zobrazení jedné ze srážek jader olova zachycené experimentem ALICE

Kvarky a gluony

Nukleony, tedy protony a neutrony, které tvoří atomové jádro, jsou složeny z kvarků. Stejně tak jsou z kvarků složeny i další částice, které interagují stejnou interakcí, která drží pohromadě nukleony ve zmíněném atomovém jádře. Tyto částice se souhrnně označují jako hadrony. V našem normálním světě, při těch hustotách energie (teplotách a hustotách), které v něm panují, jsou všechny kvarky uvězněny v hadronech. Nenajdeme zde ani jeden volný kvark.

Je to způsobeno charakterem silné interakce, která drží kvarky v hadronech. Každý kvark totiž nese náboj této interakce. Na rozdíl od elektromagnetické interakce, která má dva typy elektrického náboje (kladný a záporný), má silná interakce tři typy tzv. barevného náboje (červený, modrý a zelený). Příroda má tendenci z kladně a záporně elektricky nabitých objektů vytvářet elektricky neutrální systémy. Stejně tak vytváří trojice kvarků z nichž každý má jiný barevný náboj dohromady hadron (v tomto případě jde o baryon), který je z pohledu barevného náboje neutrální. Stejně tak kombinace kvarku s barevným nábojem a antikvarku s „barevným antinábojem“ tvoří neutrální hadron (v tomto případě jde o mezon).

Zprostředkujícími částicemi je u silné interakce osmice gluonů. Na rozdíl od elektricky neutrálního fotonu zprostředkujícího elektromagnetickou interakci, nesou gluony barevný náboj. Silná interakce sice působí jen na velmi malou vzdálenost, ale v ní její intenzita se vzdáleností roste. Pokud chceme vytrhnout z hadronu jeden kvark s barevným nábojem, musíme dodávat stalé více energie. Při určité její velikosti postačuje k vytvoření páru kvarku a antikvarku. Vzniklý antikvark je pak zachycen vytrhávaným kvarkem a vytvoří opět barevně neutrální hadron. Vzniklý kvark se spojí se zbytkem původního hadronu a vytvoří také barevně neutrální hadron.

Pokud se srazí protony s extrémně vysokou energií, nesrážejí se jako celky, ale dochází ke srážce částic, které je tvoří – tedy kvarků. V realitě je situace komplikovanější, protože právě díky velké intenzitě silné interakce obsahuje proton kromě tří zmiňovaných tzv. konstituentních kvarků i velmi komplikované vakuum obsahující velké množství tzv. virtuálních gluonů a párů kvarku a antikvarku. Pro jednoduchost se však omezme pouze na kvarky. Při srážce dvojice kvarků dojde k jejich vzájemnému rozptylu. Zároveň je v tomto případě k dispozici velmi velká energie, která se může využít na produkci velkého množství kvarků a antikvarků. Takový proces se označuje jako hluboce nepružný rozptyl kvarků. Díky zákonu zachování hybnosti se tyto nové kvarky a antikvarky pohybují s vysokou kinetickou energií ve směru pohybu původních kvarků po rozptylu. V určitém okamžiku musí dojít k tomu, že se všechny barevné kvarky a antikvarky pospojují do barevně neutrálních hadronů a dostaneme dvojici výtrysků hadronů, které se díky zákonu zachování hybnosti pohybují v opačném směru (pokud je pozorujeme v těžišťové soustavě). Výtrysk (anglicky jet) nám vlastně umožňuje vidět jednotlivé kvarky a zkoumat jejich vlastnosti. Pokud se vrátíme k celé komplikovanosti přírody, je třeba říci, že výtrysky vznikají i při srážkách dvojice gluonů nebo gluonu a kvarku.

Průběh centrální srážky těžkých jader. Z pohledu v laboratoři díky kontrakci délek ve směru pohybu podle speciální teorii relativity připomínají jádra lívance. Při srážce dojde k uvolnění kvarků z hadronů a vzniku koule kvark-gluonového plazmatu, která se začne rozpínat a chladnout.

Kvark-gluonové plazma

Poprvé použil název kvark-gluonové plazma před více než třiceti lety E.V. Shuryak, který tak označil v té době pouze hypotetický stav jaderné hmoty, který měl existovat při extrémně vysoké hustotě energie. Tedy za extrémních teplot nebo hustot. Jak jsme si popsali v předchozí části, jsou v normální jaderné hmotě kvarky uvězněny v hadronech, které jsou z pohledu náboje silné interakce (barvy) neutrální (bezbarvé). Pokud se však hustota energie extrémně zvýší, dochází k takovému natěsnání hadronů, že kvarky už nemohou zůstat vázány v hadronech a stávají se volnými. Zároveň díky vysoké intenzitě silné intertakce a hustotě energie v takové hmotě vzniká velké množství nových kvarků a gluonů nesoucích náboj silné interakce (barvu). Dostaneme tak směs volných kvarků a gluonů. Tedy hmotu, kterou E.V. Shuryak nazval kvark-gluonovým plazmatem. Název si vybral na základě analogie se vznikem klasického plazmatu, kdy se také z neutrálních atomů dostává směs volných nabitých iontů a elektronů. Je však třeba připomenout, že vlastnosti kvark-gluonového plazmatu jsou velmi odlišné od toho klasického plazmatu a analogie mezi nimi je jen velmi volná.

Od předpovědi kvark-gluonového plazmatu k prokázání jeho existence vedla velmi dlouhá cesta. Problémem je, že známe jen velmi málo i chování velmi horké a husté jaderné hmoty složené z bezbarvých hadronů – označuje se jako hadronový plyn. Takže se těžko nacházejí příznaky, které by indikovaly, že se hadronový plyn přeměnil v kvark-gluonové plazma. Navíc musí kvark-gluonové plazma při svém chladnutí projít hadronizací a přeměnit se na hadronový plyn. Tak se řada příznaků existence kvark-gluonového plazmatu smaže.

Bylo navrženo několik indicií, které by svědčily o produkci této nové fáze jaderné hmoty. Pomocí měření teploty a hustoty energie se musí zjistit, zda se dosahuje jejich potřebných hodnot. V kvark- gluonovém plazmatu by se mělo některých částic (podivných částic) produkovat daleko více a některých (J/ψ mezonů) zase mnohem méně. A takové projevy se už pozorovaly koncem minulého století ve srážkách těžkých jader na urychlovači SPS v laboratoři CERN. Ovšem pozorované efekty se daly vysvětlit i, sice velmi neobvyklým, chováním hadronového plynu. Proto velká část fyziků v té době ještě nepovažoval existenci kvark-gluonového plazmatu za prokázanou. Bylo potřeba počkat na urychlovač RHIC. Zatímco urychlovač SPS srážel těžká jádra s jádry v terči, který byl vůči laboratoři v klidu, urychlovač RHIC srážel dvě proti sobě letící jádra. I když tedy u něj kinetická energie jednotlivých jader nebyla o moc větší než u urychlovače SPS, energie srážky byla mnohem větší. Horké a husté hmoty se tak vytvořilo mnohem více a s větší hustotou energie.

RHIC tunnel and magnets

Urychlovací trubice urychlovače RHIC

Potlačení výtrysků – přímý důkaz existence kvark-gluonového plazmatu

Takovým přímým důkazem produkce kvark gluonového plazmatu ve srážkách jader dostupným na urychlovači RHIC se stalo pozorování výtrysků vznikajících při srážce dvou kvarků s velmi vysokými energiemi a jejich prodírání horkou a hustou hmotou. Je totiž velmi podstatný rozdíl mezi tím, jestli kvarky s barevným nábojem prolétají prostředím složeném z barevných kvarků a gluonů nebo neutrálních hadronů. V případě, že se výtrysk před hadronizací prodírá hadronovým plynem, interaguje s neutrálními hadrony relativně málo a jeho ztráty energie jsou malé. Pokud však se kvarky výtrysku prodírají kvarky a gluony s barevným nábojem, ztrácejí energii velice rychle.

Ztráty energie jsou dány mnohonásobnou interakcí barevných nábojů. Velký podíl na nich má i brzdné gluonové záření. I v tomto případě jde o fyzikální jev, který má analogii u elektromagnetické interakce. Někteří ze čtenářů znají brzdné fotonové záření (rentgenovské nebo gama), které vzniká při průchodu relativistických lehkých nabitých částic hmotou. Nejčastěji se pozoruje u elektronů a pozitronů. V tomto případě, jestliže lehká nabitá částice prolétá elektrickým polem jádra s rychlostí blízkou rychlosti světla a je jím brzděna nebo zrychlována, dochází u ní k vyzařování fotonů (částic zprostředkujících danou interakci) brzdného záření s vysokou energií. Stejně tak, pokud jsou částice s barevným nábojem silné interakce pohybující se rychlostí blízkou rychlost světla brzděny či zrychlovány v poli silné interakce vytvářeném barevným nábojem, vyzařují gluony (částice zprostředkující silnou interakci). Jsou i další jevy, které způsobují intenzivní ztráty a rozmělnění energie ve výtrysku pohybujícím se v prostředí složeném z částic s barevným nábojem. Mění se tak nejen energie výtrysku, ale i jeho tvar a směr jeho pohybu. Čím déle se výtrysk takovou hmotou prodírá, tím více energie ztratí a tím více se rozplizne.

Jak jsme si ukázali v první části článku, vzniká při srážkách kvarků dvojice výtrysků letících v opačném směru. Pokud vzniknou v místě, které je hluboko uvnitř zóny vyplněné kvark-gluonovým plazmatem, pak se oba výtrysky neproderou vůbec ven nebo s velmi malou celkovou energií. Pokud vzniknou někde u okraje, pak jeden z nich, který míří ven, moc energie neztratí a druhý, který míří do hloubky zóny s kvark-gluonovým plazmatem, se buď úplně rozplyne nebo bude mít po opuštění této zóny jen velmi málo energie. Budeme pak pozorovat úbytek celkového počtu výtrysků i částic s vysokou energií. Anglicky se to označuje jako „jet quenching“. Hlavně pak zaznamenáme opravdu intenzivní potlačení počtu dvojic protilehlých výtrysků.

Při experimentech na urychlovač SIS se díky relativně nízké energie srážky produkovalo relativně málo dvojic výtrysků a i objem produkovaného kvark-gluonového plazmatu byl malý. Takže se tam tento jev nemohl pozorovat. Na urychlovači RHIC už byl počet vznikajících dvojic výtrysků i objem produkovaného kvark-gluonového plazmatu dostatečně velký, takže zde už bylo možné příslušný jev studovat. Bylo potřeba prozkoumat závislost počtu produkovaných výtrysků na geometrii (centralitě) srážky jader. Čím je srážka centrálnější, tím větší objem kvark-gluonového plazmatu se vytvoří.

Fotografie experimentu STAR, na kterém pracují i čeští vědci a naši studenti.

Víme, kolik dvojic výtrysků vzniká při srážce dvou protonů. Zároveň víme, kolik nukleonů (protonů a neutronů) mají srážející se jádra. Dá se spočítat, kolik srážek dvojic nukleonů při dané geometrii srážek jader nastane a tak i kolik dvojic výtrysků bychom měli pozorovat bez působení jejich potlačení v kvark-gluonovém plazmatu. A tuto hodnotu srovnáme s pozorováním. Problém je, že identifikace a určení celkových parametrů výtrysků na pozadí velkého počtu částic, není jednoduché. Proto se nejdříve studovaly tzv. vedoucí částice výtrysku, tedy částce s největší energií a také příčnou hybností. Tedy komponenty hybnosti kolmé ke směru pohybu svazku. Pokud je velká, je to známka, že došlo k hluboce nepružné srážce dvojice kvarků. Nejdříve se hledaly právě částice s vysokou příčnou hybnosti a energií. Ukázalo se, že počet takových částic je velmi silně potlačen právě v případě, když je srážka centrální a vznikne největší objem horké a husté hmoty. Aby se potvrdilo, že jde o jev, který je opravdu spojen s s kvark-gluonovým plazmatem, bylo potřeba ověřit, že nevzniká v případě, že se výtrysk prodírá pouze hadronovým plynem. Z toho důvodu se studovaly srážky deuteronu se zlatem, kdy sice dochází při hluboce nepružných srážkách k produkci dvojic výtrysků, ale nemůže vzniknout kvark-gluonové plazma. A opravdu se v tomto případě potlačení počtu částic s velkou příčnou hybností nepozorovalo.

Velmi důležité pak bylo také studium úhlového rozložení částic s vysokou hybností vzhledem k částici s maximální příčnou hybností. Ukázalo se, že v případě srážek protonu s protonem a centrálních srážek deuteronu se zlatem se objevuje druhé maximum naproti toho primárního výtrysku. Naopak v centrálních srážkách zlata se zlatem druhé maximum v počtu částic s vysokou hybností úplně zmizelo. Existence potlačení výtrysků částic tak byla prokázána a experimentálně se tak přímo prokázala existence kvark-gluonového plazamatu.

Úhlové rozdělení částic s velkou hybností je rozdílné (jen s jedním maximem) pro centrální srážky zlata se zlatem od situace při srážkách protonů s protonem a centrální deuteronu se zlatem.

Pozorované vlastnosti kvark-gluonového plazmatu

Když se podařilo experimentům na urychlovači RHIC prokázat existenci kvark-gluonového plazmatu, pustili se fyzici do intenzivního studia jeho vlastností. Velice zajímavé informace se zjistili pomocí kolektivního pohybu částic. Ten se určuje z asymetrie v úhlovém rozdělení částic vyletujících z místa srážky vůči rovině srážky. Stejně jako lze z proudění klasických tekutin testovat jejich vlastnosti, můžeme z toho, kterým směrem a jak intenzivně „tečou“ proudy částic ze srážek těžkých jader, zjistit vlastností kvark-gluonového plazmatu. A ukázalo se, že jsou velice odlišné od původních představ teoretiků. Ti předpokládali, že půjde o ideální plyn. Tedy, že částice budou mezi sebou interagovat jen slabě. Ukázalo se však, že kolektivní pohyb byl v daném případě natolik intenzivní, že se dal vysvětlit jedině silnou vzájemnou interakcí částic. Kvark-gluonové plazma se tak chová jako kapalina, i když s téměř nulovou viskozitou. A je tedy kapalinou blízkou ideální. Proto se začalo mluvit o silně interagujícím kvark-gluonovém plazmatu.

Studium průběhu toku částic pro jednotlivé typy hadronů ukazuje, že míra intenzity toku je závislá na počtu kvarků, které částice obsahuje. To by mělo naznačovat, že se velmi brzy ještě v době formování kvark-gluonového plazmatu ustálila termodynamická rovnováha, vyrovnala tedy teplota a hustota v objemu horké a husté zóny.

Podařilo se také určit teplotu plazmatu těsně po jeho vzniku pomocí identifikace fotonů, které se v té době vyzářily, na pozadí těch později produkovaných. Přesnost je sice velmi omezená, protože fotonů s kvark-gluonového plazmatu je velmi málo oproti fotonům z pozdější fáze hadronového plynu. Teplota je 250 000krát větší než v nitru Slunce.

Další důležitou oblastí studia vlastností kvark-gluonového plazmatu, na kterém se podílí i naši studenti je vylovení výtrysků na pozadí velkého počtu dalších částic a co nejpřesnější stanovení jejich parametrů. To by mělo umožnit pochopení procesů, které vedou ke ztrátám jejich energie a změně jejich tvaru při průchodu plazmatem, a tím i určení vlastností této fáze jaderné hmoty.

Růst počtu nabitých částic produkovaných na počet zúčastněných nukleonů pro srážky dvojice jader a pro srážky dvojice protonů (zdroj článek experimentu ALICE arXiv:1011.3916v2)

Co nového pozorovaly experimenty na LHC

Začátkem listopadu zahájil srážení jader olova urychlovač LHC a na studiu produkovaného kvark-gluonového plazmatu se účastní tři jeho velké experimenty ALICE, ATLAS a CMS. Již po pár dnech se začínají objevovat zajímavé výsledky. Stejně jako v případě srážek protonu s protony je prvním měřenou veličinou počet produkovaných nabitých částic. Experiment ALICE ukázal se, že tento počet je více než dvakrát větší než byl počet nabitých částic produkovaných při experimentech s maximální energií na urychlovači RHIC. Ukazuje se, že počet produkovaných nabitých částic stoupá u srážek jader s jádry s energií rychleji než srážek dvojice protonů. Už tento výsledek umožňuje ověřovat platnost různých modelů vysokoenergetických srážek jader.

Pozorování dvojice výtrysků v experimentu ATLAS. Jeho hadronové a elektromagnetické kalorimetry umožňují určit jejich celkovou energii velice přesně (Zdroj arXiv:1011.6182)

Další veličinu, kterou se podařilo experimentu ALICE změřit, byla intenzita toků částic (jednalo se o tzv. eliptický tok). Ta vzrostla oproti měřením na urychlovači RHIC zhruba o třicet procent. Potvrzuje se, že i při hustotách energie dosažených při srážce na urychlovači LHC je kvark-gluonové plazma ideální kapalinou. Velice rychlé určení eliptického toku částic při srážce je příslibem pro velice podrobné studium hydrodynamických vlastností plazmatu i rychlosti nastolení tepelné rovnováhy.

Důležité pozorování publikoval experiment ATLAS. Ten pozoroval přímo potlačení výtrysků v jednotlivých dvojicích. Využil své dokonalé uspořádání pro detekci a analýzu výtrysků a přesného určování jejich energie, možné hlavně díky dokonalým kalorimetrům. Jak pracují tyto obrovské detektorové systémy, které umožňují zastavit a určit energii i těch nejenergetičtějších částic si lze přečíst zde. Mohl tak porovnávat jejich energie, asymetrii v energii kvarků ve dvojici a určit ztrátu energie postihující ten, který se dlouho prodíral kvark-gluonovým plazmatem. Tak rychlé a detailní potvrzení potlačení u výtrysků s velmi vysokou energií a asymetrií mezi energiemi ve dvojici, která vzniká v horké hmotě produkované ve srážkách těžkých jader, je velkým příslibem do budoucna. Ukazuje, že bude možné tento jev studovat ve velkém detailu a zjistit tak procesy, které jej způsobují, a tak i vlastnosti tohoto prostředí i samotné silné interakce.

Hadronové kalorimetry jsou jedněmi s největších detektorů. Hadronový kalorimetr TileCal je obrovská masa železa. Na obrázku jsou technici při instalaci na posledním bloku tohoto kalorimetru. V pozadí jsou části obrovského supravodivého magnetu experimentu ATLAS.

Se svou „trochou“ do mlýna nových výsledků přišel i experiment CMS, který má velmi dobré podmínky pro detekci vysokoenergetických dvojic leptonů (tedy párů elektron a pozitronu či dvojice mionu a antimionu). Díky tomu se mu podařilo poprvé zaregistrovat vznik a rozpad Z bosonu ve srážkách těžkých jader. Tato částice s hmotností více než devadesáti protonů zprostředkuje slabou interakci a může být také zajímavou a důležitou sondou do horké fáze srážky. Velmi rychle experiment CMS zaznamenal více než deset kandidátů na rozpad této částice.

První pozorování produkce Z bosonu ve srážkách těžkých jader se podařil experimentu CMS. Byl pozorován jeho rozpad na pár elektronu a pozitronu.

Je vidět, že experimenty na urychlovači LHC i v případě studia srážek těžkých jader chytily příležitost za pačesy a hned z počátku se jim daří vytěžit zajímavé informace. Je tak možno očekávat, že podrobnější analýzy získaných dat nám umožní pochopit chování hmoty v ranném vesmíru, jak v té době vypadala a jak tekla téměř ideální kapalina kvark-gluonového plazmatu. A to se statistika nabraných dat stále zvětšuje a mělo by tomu být až do 6. prosince. Já se hlavně těším na první opravdu detailní studium fotonů z kvark-gluonového plazmatu, kterých by u LHC mělo být mnohem více než těch z pozdějších chladných fází. Tito přímí poslové z nejrannějších fází srážky nám mohou říci velmi zajímavé a důležité detaily. Nejen tu již zmiňovanou teplotu.

Opět pozorování Z bosonu experimentem CMS, tentokrát však jeho rozpadu na dva miony

Jen pro ty, kteří se v průběhu cesty článkem ztratily v názvoslovích části, je plán pro opětné nalezení správného směru zde. Pro podrobnější informace lze nahlédnout do zmíněných publikací experimentů ALICE (arXiv:1011.3916v2, arXiv:1011.3914v1) a ATLAS (arXiv:1011.6182)

V Řeži, 2. 12. 2010