"No dobrá," řekla kočka a tentokrát se ztrácela pomalounku od konečku ocasu až po škleb; ten chvíli ještě potrval, když už ostatek zmizel. "Kočku bez šklebu, to už jsem viděla kolikrát," pomyslila si Alenka,"ale škleb bez kočky! Něco tak zvláštního jsem jakživ neviděla!"

Druhý únorový týden se v Evropském středisku jaderného výzkumu (CERN) v Ženevě konal slavnostní seminář a tisková konference, kde byly prezentovány velmi silné důkazy existence nového stavu hmoty - kvark-gluonového plazmatu. Úspěchu v cestě za "Svatým Gralem" jaderné fyziky vysokých energií bylo dosaženo v experimentech, při nichž se srážela jádra olova urychlená na mimořádně vysokou energii s jádry olova v pevném terči. Při takové srážce se na nesmírně krátký okamžik vytvoří velmi malá expandující oblast extrémně husté a horké hmoty. Tato forma hmoty existovala krátce po Velkém třesku. Mezi srážkou jader s velmi vysokou energií a průběhem Velkého třesku lze najít řadu paralel a analogií, takže se často mluví o "Malém třesku". Zatímco však teorie Velkého třesku má svoji standardní všeobecně akceptovanou podobu, obecně uznávaná standardní teorie Malého třesku ještě neexistuje. A právě zmíněná konference v CERNu je důležitým krokem na cestě k ní. Srovnejme nyní naše poznatky o těchto dvou jevech, jejichž časoprostorové měřítko je diametrálně rozdílné..

Z čeho pramení naše přesvědčení, že v raném vesmíru existovaly velmi vysoké hustoty energie? Teorie Velkého třesku se opírá o tři pozorované jevy. Prvním je rozpínání vesmíru, které popisuje Hubblův zákon a jehož současný průběh je dán počátečními podmínkami a stavovou rovnicí (vztahem mezi tlakem, teplotou a hustotou) hmoty ve vesmíru v průběhu jeho vývoje.

Druhým je reliktní fotonové záření se spektrem absolutně černého tělesa o teplotě 2,7 K. Toto záření pochází z období, kdy teplota vesmíru klesla na hodnotu okolo 4000 K (0,3 eV), došlo k rekombinaci atomů a vesmír se stal průhledný pro fotony. K tomuto "tepelnému vymrznutí" našeho Vesmíru (fotony už dále s ostatní hmotou neinteragovaly) došlo přibližně 400 000 let po Velkém třesku. Před tím byla veškerá hmota ve Vesmíru v tepelné rovnováze. Výjimku tvořily pouze neutrina a dosud jen nepřímo pozorované gravitony, k jejichž vymrznutí došlo již dříve.

Třetím pozorovaným jevem je shoda zastoupení lehkých prvků s předpověďmi předpokládajícími primordiální nukleosyntézu. Ta nastala tři minuty po Velkém třesku při teplotě okolo 10⁹K (90 keV) a představuje "chemické vymrznutí" našeho Vesmíru, kdy se ustavilo jeho chemické složení. Později bylo částečně modifikováno pouze nekosmologickými procesy uvnitř hvězd.

Bereme-li v úvahu známé částice, nemáme kromě neutrin a gravitonů (představa jak pozorovat reliktní neutrina či gravitony ovšem zatím neexistuje) žádné přímé signály z období před tepelným vymrznutím, tedy ani z období, které podle teoretických předpokladů nastalo 10 mikrosekund po Velkém třesku, kdy došlo k vázání kvarků a gluonů do hadronů čili tzv. hadronizaci kvark-gluonového plazmatu. To je zapříčiněno pomalostí expanze Vesmíru, která je dána gravitací a rychlostí procesů, které vedou k termální rovnováze a jsou určeny silnou, slabou a elektromagnetickou interakcí. Poměr specifických časů je téměř osmnáct řádů. Trochu jiná situace nastává ve srážce těžkých jader. Zde expanze horké a husté hmoty není zpomalována gravitací a probíhá jen ve velmi malém objemu. Proto je naděje zachytit i přímé signály existence kvark-gluonového plazmatu.

V článku "Podivné hvězdy" Kozmosu č.3 minulého roku jsem popsal, co kvark-gluonové plazma je, proto zde připomenu jen nejzákladnější fakta. Podle současných poznatků jsou základními stavebními kameny našeho světa šestice kvarků (u, d, s, c, b, t), šestice leptonů (e, ný_e,mí , ný_mí , 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 popsaným způsobem do bezbarvých hadronů. Předpokládá se, že při velmi vysokých hustotách energie by se v prostoru mezi kvarky mělo vyskytovat tolik gluonů, že vzájemné silové působení mezi nimi odstíní. Dostaneme tak směs volných kvarků a gluonů, tedy právě zmiňované kvark-gluonové plazma.

Podívejme se, jak vypadá teorie Malého třesku a jaké jsou její základní zdroje. Z toho pak vyplyne i výskyt kvark-gluonového plazmatu při tomto procesu, jak se nám jeví ve světle nejnovějších experimentů. V první fázi srážky jader s velmi vysokou energií dochází k vzájemným rozptylům jednotlivých kvarků a gluonů, tvořících nukleony (protony a neutrony) v jádře. Tím se přeměňuje kinetická energie v tepelnou a ohřívá se jaderná hmota. Zároveň je hmota prudce stlačená a hustota energie v místě srážky se zvýší. Tepelná energie se těmito procesy přerozděluje až je dosažena tepelná rovnováha horké a husté hmoty. Vznik tepelné rovnováhy je umožněn tím, že střední volná dráha kvarků je menší než poloměr jádra. Je-li dosažená hustota energie dostatečná, mělo by dojít k vytvoření oblasti kvark-gluonového plazmatu. Tento systém následně expanduje a ochlazuje se, až při určité teplotě a hustotě začíná probíhat spojování barevných kvarků do bezbarvých hadronů – hadronizace. Systém složený z hadronů pak dále expanduje a ochlazuje se, až se hadrony od sebe natolik vzdálí, že přestanou vzájemně interagovat.

V laboratoři můžeme Malý třesk uskutečnit ve srážkách těžkých jader urychlených na velmi vysokou energii. V případě experimentů v laboratoři CERN byla jádra olova, která 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 experimentální prokázání je nesmírně těžké. Existuje totiž jen po velmi kratičkou dobu, kdy trvají obrovské hustoty a teploty. Jak víme, nemohou kvarky opustit oblast plazmatu jako volné částice, ale jen ve vázané podobě v hadronech. Vzniká-li při jedné srážce v CERNu v průměru 2500 částic, tvoří 99,9% z nich hadrony. Jedině studiem částic vyletujících z místa srážky můžeme určit teplotu, hustotu a další vlastnosti vznikající husté a horké jaderné hmoty a prokázat její fázový přechod do nového stavu – kvark-gluonového plazmatu. Navíc se částice vzniklé v hadronizaci a tvořící jadernou hmotu ve stavu hadronového plynu mezi sebou následně rozptylují a informace, které nesou o vlastnostech kvark-gluonového plazmatu, se rozmazávají. Získaná informace je tedy jen zprostředkovaná.

Obr 1: Sestava detektorů v experimentu WA98            Obr. 2: Srážka olovo na olovo a vyletující částice v experimentu NA49

Možný vznik kvark-gluonového plazmatu byl studován v sedmi různých experimentech, které byly zaměřeny na různé typy jeho vlastnosti a na detekci různých druhů částic. Náznaky existence jevů, doprovázejících 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. Výklad poznatků plynoucích z komplexní analýzy a porovnání různých experimentů se však nejspíše už bez existence kvark- gluonového plazmatu neobejde. Podívejme se na základní fyzikální jevy, které fyzikové z CERNu považují za nejsilnější argumenty potvrzující vznik kvark-gluonového plazmatu.

Stejně jako v případě Velkého třesku můžeme i v průběhu Malého třesku studovat rozpínání hmoty. Tuto informaci získáme studiem vlastností hadronů vyletujících z místa srážky. Data o rozložení hybnosti (respektive její složky kolmé ke směru srážejících se jader) pro řadu různých hadronů a jejich interferometrie umožňují zkoumat průběh expanze po hadronizaci, podobně jako lze ze vzdalování galaxií odvodit Hubblův zákon. Údaje naměřené v experimentech NA44, NA45/CERES, NA49, NA50, NA52, NA57/WA97 a WA98 odpovídají plně našim předpokladům o vzniku horké a husté expandující zóny a dynamické vlastnosti jaderné hmoty, která se po srážce rozpíná, splňují naše představy získané z hydrodynamických modelů.

Po většinu doby expanze je jaderná hmota pro hadrony neprůhledná a celý systém se udržuje v tepelné rovnováze. Teplotu v okamžiku, kdy nastalo tepelné vymrznutí, můžeme určit s energetických spekter hadronů, které (podobně jako spektrum reliktních fotonů pocházejících z Velkého třesku) odpovídá spektru černého tělesa s příslušnou teplotou. V případě Malého třesku nejsou vzniklé fotony v tepelné rovnováze s hmotou a díky malým rozměrům expandující zóny a malé pravděpodobnosti interakce fotonů opouštějí horkou zónu ihned. Experimenty zmíněné v minulém odstavci potvrzují, že při srážce je dosaženo teplot potřebných pro vznik kvark-gluonového plazmatu, tedy okolo 180 MeV ( 2.1×10¹² K).

Ještě před tepelným vymrznutím dochází k chemickému vymrznutí. Tato "primordiální hadrosyntéza" je analogická primordiální nukleosyntéze ve Velkém třesku a ustavuje se v ní zastoupení různých hadronů. Toto hadronové složení může sloužit jako nepřímý signál možného vzniku kvark-gluonového plazmatu. Jedním z takových signálů je počet hadronů obsahujících podivný kvark s, pozorovaný při velmi vysokých energiích srážky v experimentech NA57/WA97, NA49 a NA50. Ten převyšuje počet tohoto typu hadronů, jenž vyplývá z předpokladu, že vznikají 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 vysoká.

Další důležité informace o podmínkách umožňujících vznik kvark-gluonového plazmatu může poskytnout i studium leptonů vzniklých rozpadem velmi krátce žijících hadronů.

V experimentu NA45/CERES byla pozorována zvýšená produkce elektron-pozitronových párů v oblasti invariantních hmotností menších než 800 MeV. Invariantní hmotnost je klidová hmotnost vypočtená z dvojice zachycených leptonů, přičemž se předpokládá, že pocházejí z rozpadu částice. Tento jev můžeme vysvětlit změnou vlastností mezonu ró, který vzniká v horké a husté jaderné hmotě a velmi rychle se ještě uvnitř této hmoty rozpadá na dvojici elektron a pozitron. Změna hmotnosti a doby života mezonu ró by měly záviset na hustotě a teplotě okolní hmoty. Tyto změny by měly být pozorovatelné i v husté hadronové hmotě, ale svědčí o takových vlastnostech silné interakce, které jsou nezbytné pro vznik kvark-gluonového plazmatu.

Nejvýznamnějším příznakem fázového přechodu je potlačení produkce mezonu nazývaného J/psí při srážkách jader s vysokými energiemi, které bylo pozorováno v experimentu NA50. Mezon J/psí je silně vázaným systémem kvarku c a antikvarku 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.

Přímou informaci o existenci kvark-gluonového plazmatu by mohly poskytnout fotony s vysokou energií vznikající při rozptylu jednotlivých kvarků a gluonů v plazmatu. Ty už následně s hadrony neinteragují a přinášejí tak přímé údaje o stavu hmoty v místě, kde vznikly. Při energiích srážejících se jader, které můžeme dosáhnout na urychlovči SPS, je však počet takto vzniklých fotonů příliš malý a na pozadí fotonů vzniklých v hadronovém plynu je nemůžeme pozorovat.

Je tedy zřejmé, že byla pro existenci kvark-gluonového plazmatu získána řada indicií. Jsou sice nepřímé, ale v souhrnu dost přesvědčivé. Mělo by následovat definitivní potvrzení plazmatu a podrobné studium 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, u kterého každé z jader, jež proti sobě letí, bude mít energii 100 GeV/nukleon a celková energie v těžišti bude téměř dvanáckrát větší než při použití pevného terče na SPS. V roce 2005 by se pak štafetový kolík měl opět vrátit do Evropy, kde na budovaném urychlovači LHC (Large Hadron Collider) bude mít každé jádro energii 2.7 TeV/nukleon a energie v těžišti bude více než 300 krát větší než na SPS. V těchto experimentech bude počet fotonů vzniklých přímo v kvark-gluonovém plazmatu mnohem větší a jejich pozorování by mělo podle očekávání posloužit jako přímý důkaz tohoto nového stavu hmoty. I po zmizení kočky Šklíby z Carollovy knihy "Alenka v Kraji divů" je stále vidět její škleb. Jak naše znalosti o Velkém třesku tak i znalosti Malého třesku jsou založeny na zkoumání takového zamrznutého šklebu. Zkoumání Malého Třesku nám dává šanci v blízké době uvidět přímo kočku Šklíbu samotnou.

Z uvedených fakt vyplývá, že důkaz existence kvark-gluonového plazmatu, znalost jeho vlastností a způsobu přechodu v hadronový plyn jsou klíčové pro pochopení raného stádia vývoje vesmíru. Musíme ovšem mít na pamětí některé důležité rozdíly v procesu hadronizace ve srážkách těžkých jader a hadronizace v období raného vesmíru. Zopakujme, že je to zejména zmíněná rozdílná časová škála. Zatímco srážka těžkých jader trvá jen 10^-22s, trvala hadronizace raného vesmíru 10^-6 s. Tento rozdíl je způsoben bržděním expanze vesmíru gravitací a zapříčinil například, 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 existovala, projevit vznikem míst s různou baryonovou hustotou. To by se promítlo do následné primordiální nukleosyntézy, kdy by kromě ⁴He vznikla i těžší jádra ⁷Li, ⁹Be a ¹²B. Velice atraktivní by byla rovněž možnost přeměny bublin kvark-gluonového plazmatu v primordiální černé díry, což se však dnes jeví jako velmi nepravděpodobné. Mnohem pravděpodobnější se jeví možnost vzniku primordiální podivnůstek, protože ověření existence "normálního" kvark- gluonového plazmatu zvyšuje pravděpodobnost existence stabilního kvark-gluonového plazmatu s příměsí podivných kvarků. Existence takového plazmatu ve formě malých kousků (podivnůstek) nebo ve formě celých podivných hvězd jsem podrobněji diskutoval v příspěvku v Kozmosu č. 3 z roku 1999.