Prokázal urychlovač RHIC existenci kvark-gluonového plazmatu?

aneb

setkáme se ve vesmíru s kvarkovou hmotou a kvarkovými hvězdami?

“Tento velký detektivní příběh dosud není vyřešen. Nemůžeme si být jisti, zda vůbec má konečné řešení. Četba nám již poskytla mnoho: naučila nás základům řeči přírody; umožnila nám porozumět mnohým z klíčů a byla často zdrojem radosti a povzbuzení v namáhavém a strastiplném pokroku vědy”

A. Einstein, L. Infeld: “Fyzika jako dobrodružství poznání”

V poslední době se i v populárním tisku objevila řada zpráv spojených s existencí nové formy hmoty - kvark-gluonového plazmatu. Někdy se o něm také mluví jako o kvarkové hmotě. Nedávné objevy spojené s možností její existence byly ohlášeny jak ze vzdáleného vesmíru tak i z pozemských laboratoří. Astrofyzikům je umožnila hlavně velice úspěšná rentgenová družice Chandra. Na základě jejich pozorování ohlásily dva týmy objev kvarkové (podivné) hvězdy. Informace o těchto pozorováních i rozbor jejich možných vysvětlení se objevil i na stránkách časopisu Kozmos. Jaderným fyzikům se pak o pokrok v prokazování existence kvark-gluonového plazmatu postaral velký urychlovač těžkých jader RHIC v Brookhavenu (USA). Zde 18. června vyhlásili pozorování dalšího příznaku vzniku kvark-gluonového plazmatu ve srážkách těžkých jader urychlených na velmi vysoké energie. Přesto velká část odborníků stále nepovažuje existenci jak nestabilního obyčejného kvark-gluonového plazmatu tak i stabilního kvark-gluonového plazmatu s podivností za prokázanou. Zkusme si shrnout, jak to ve světle nových experimentálních s kvarkovou hmotou vypadá.

Nejdříve bych zopakoval základní údaje o stavbě hmoty. Dnes víme, že svět, ve kterém žijeme, je složen z atomů. Samotné atomy se skládají z velmi hmotného a malého jádra a elektronového obalu okolo něho. Atomové jádro je složeno z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů. Zatímco elektrony v atomovém obalu se nyní zdají být bez struktury, tak protony a neutrony se skládají každý ze tří kvarků. Tyto kvarky jsou dvou typů (vůní) u a d. Existuje řada dalších částic, které obsahují kromě zmíněných i kvarky dalších vůní s, c, b a t. Ovšem tyto částic jsou nestabilní a vznikají pouze na velmi krátkou dobu ve srážkách při vysokých energiích. V normálním světě jsou všechny kvarky uvězněny v částicích. A to buď ve skupině tří kvarků tvořících baryon (už zmíněný proton a neutron). Případně tří antikvarků v podobě antibaryonu. Nebo jsou vázány do dvojice kvarku a antikvarku v podobě částice, která se nazývá mezonem. Na všechny částice, které jsou tvořeny kvarky, působí silná interakce a nazýváme je hadrony. Silná interakce nepůsobí například na elektrony. Tyto částice a jim podobné řadíme mezi leptony.

Jak už bylo zmíněno, jsou v normálních podmínkách kvarky uvězněny v hadronech a žádný kvark nemůže být volný. Předpokládá se však, že při velmi vysoké hustotě energie, tedy při velmi vysoké hustotě a teplotě hmoty dojde k velmi vysoké produkci gluonů (částice zprostředkující silnou interakci), uvolnění kvarků z částic a dostáváme úplně nový stav hmoty - systém volných kvarků a gluonů, který se nazývá kvark-gluonovým plazmatem. Popisovaný stav hmoty je nestabilní a může existovat právě jen při velmi vysokých hustotách a teplotách hmoty. Kvarková hmota by měla vznikat při srážkách těžkých jader při velmi vysokých energiích. Mohla by se vyskytovat i v nitru neutronových hvězd, kde sice nejsou vysoké teploty, ale zato jsou tam vysoké tlaky a hustoty hmoty.

Některé výpočty ukazují, že, pokud se kvark-gluonové plazma neskládá pouze z prvních dvou vůní kvarků u a d, ale je v něm i příměs třetí vůně s, bude takový stav hmoty stabilní i za normálních podmínek. Z takového materiálu by se měly skládat i kvarkové hvězdy (označují se i jako podivné hvězdy).

Objev normálního kvark-gluonového plazmatu byl poprvé ohlášen v mezinárodním ústavu CERN v Ženevě (Švýcarsko) v roce 2000. Horké a husté prostředí, které je potřebné ke vzniku kvark-gluonového plazmatu, se vytvářelo pomocí srážek těžkých jader urychlených na rychlosti blízké rychlostem světla na urychlovači SPS (dokáže urychlit jádro na energii 160 GeV na nukleon). Ovšem diskuse kolem existence či neexistence takového stavu hmoty neustala. Připomeňme si, na základě jakých pozorovaných příznaků existence kvark-gluonového plazmatu bylo prohlášení pracujících na sedmi CERNských experimentech založeno.

Experimenty měly prokázat, že při srážkách těžkých jader se při dané energii dosahuje dostatečná teplota a hustota energie potřebná pro vznik kvark-gluonového plazmatu, získává dostatečný objem i doba existence vytvořené horké a husté oblasti. Doba života musí být dostatečně dlouhá, aby mohlo dojít v jejím průběhu k nastolení tepelné rovnováhy. Potřebujeme totiž oblast vyplněnou hmotou se stejnými vlastnostmi (teplotou, hustotou …). Dále se hledaly neobvyklé efekty, které by vznik takového nového stavu hmoty provázely.

Měřená spektra částic a velikost energie odkloněná ze směru pohybu srážejících se jader ukazovaly na to, že dosažená teplota a hustota energie jsou dostatečné. Průběh rozpínání vzniklé horké a husté oblasti také odpovídal předpokladům. Experimenty navíc zaznamenaly nárůst produkce tzv. podivných částic obsahujících podivný kvark s a naopak potlačení produkce J/psí mezonů. Tedy jevů, které by měly doprovázet vznik kvark-gluonového plazmatu. Bližší rozbor experimentů v CERNu a pozorovaných příznaků je v článku, který vyšel v časopise Kozmos č. 2 str. 24 z roku 2000. Celý komplex pozorovaných skutečností nasvědčoval tomu, že se pozorují projevy kvark-gluonového plazmatu. Jednotlivé anomálie se však daly vysvětlit i v rámci normální hadronové hmoty a ani po vyhlášení potvrzení existence této formy hmoty v CERNu nebyli všichni vědci přesvědčeni. Proto se netrpělivě očekávaly výsledky získané na ještě výkonnějším urychlovači.
 
 

            

                   Obr.č.1: Experiment STAR                                     Obr.č.2: Experiment PHOENIX

V roce 2001 začal v americké laboratoři v Brookhavenu pracovat nový urychlovač těžkých jader RHIC, který sice urychluje jádra přibližně na stejnou energii jako urychlovač SPS ( 200 GeV na nukleon), ale přesto se při srážce dosahuje daleko vyšší energie. V případě SPS totiž dopadají urychlená jádra na nehybný terč. Urychlovač RHIC naopak dokáže svazek urychlených jader rozdělil do dvou částí pohybujících se proti sobě ve dvou prstencích. Tyto prstence se v několika místech protínají a v nich dochází ke srážkám urychlených jader. Energie srážky je tak v případě urychlovače RHIC víc než dvacetkrát větší. Ve čtyřech místech křížení jsou postaveny dvě větší (STAR a PHOENIX) a dvě menší (BRAHMS a PHOBOS) experimentální zařízení, která studují pomocí složitých systémů mnoha detektorů různé vlastnosti relativistických srážek těžkých jader a hmoty, která při nich vzniká.

Tyto experimenty potvrdily existenci jevů pozorovaných již dříve na urychlovači SPS v CERNu. Spektra částic potvrzují dosažení ještě vyšších teplot. Také produkce podivných částic je ještě vyšší a potlačení J/psí mezonů ještě výraznější. Zároveň však pozorovaly experimenty STAR, PHOENIX, BRAHMS i PHOBOS efekt, který by se mohl stát tím rozhodujícím pro konečné prokázání existence kvark-gluonového plazmatu.
 
 

Obr.č.3: Jedna z prvních srážek zlata zaznamenaných experimentem STAR



A jaký nový jev se na urychlovači RHIC pozoroval? Při energiích srážejících se jader, které jsou na urychlovači RHIC dosaženy, se již nesrážejí nukleony, ale součásti těchto nukleonů - některé ze tří kvarků, které nukleon tvoří. Ve skutečnosti je situace trochu složitější, neboť nukleon netvoří jen tři zmíněné tzv. konstituentní kvarky, ale také virtuální gluony (částice, které zprostředkovávají silnou interakci) a virtuální kvark antikvarkové páry. Dohromady těmto součástem nukleonu říkáme partony a mluvíme o parton-partonových srážkách. Pro jednoduchost se přesto v dalším výkladu omezíme zase jen na kvarky. Po jejich srážce a rozptylu dostáváme dva kvarky, které se pohybují v opačném směru vůči sobě a mají velmi velkou komponentu rychlosti (hybnosti) ve směru příčném na směr pohybu srážejících se jader. U každého z této dvojice kvarků pak probíhá proces tzv. hadronizace, kdy se produkuje velké množství různých kvarků a antikvarků, které se následně spojují do elementárních částic (hadronů) a velká část kinetické energie se tak přemění v klidovou energii (hmotnost) vzniklých elementárních částic. V konečném důsledku tak dostaneme dva výtrysky (z angličtiny "jety") velkého množství elementárních částic, které se pohybují ve směru původních rozptýlených kvarků a celková energie částic ve výtrysku je rovna kinetické energii původního kvarku. Schématicky je proces zobrazen na obr.č.4.
 
 

Obr.č.4: Při hluboce nepružném rozptylu kvarků probíhajících při srážkách hadronů a jader za velmi vysokých energiích vznikají dvojice výtrysků. (obrázek zhotovil M. Holub)


Takové dvojice vysokoenergetických výtrysků elementárních částic se objevují při srážkách protonů s vysokou energií a při srážce těžkých jader by měl být počet dvojic výtrysků vyšší tolikrát, kolikrát je větší počet nukleonů (a tedy i kvarků) ve srážejících se jádrech. Ovšem počet dvojic výtrysků může být velmi silně ovlivněn i tím, jak silně původní kvark i výtrysk interaguje s okolní hmotou srážejících se jader. Pokud by interagoval velmi silně, může být až pohlcen a počet pozorovaných výtrysků se sníží. Velikost interakce a tedy i ztráta energie je podle předpovědí velmi rozdílná pro pohyb kvarku a výtrysku na ranné etapě vývoje podle toho jeli horká a hustá hmota vzniklá ve srážce složena z kvark-gluonového plazmatu nebo normální hadronové hmoty složené z nukleonů a dalších hadronů. V kvark-gluonovém plazmatu by mělo docházet k velmi silné ztrátě energie a potlačení produkce výtrysků. Většina srážek dvojic kvarků nastává v určité vzdálenosti od středu vzniklé horké a husté oblasti a alespoň jeden z kvarků (výtrysků) musí překonávat v tomto prostředí značnou vzdálenost. V případě kvark-gluonového plazmatu je velká pravděpodobnost, že při prodírání okolní hmotou ztratí většinu energie a nepodaří se mu to. Sledujme a srovnejme tedy počet dvojic výtrysků s velkou příčnou hybností, které dosáhnou protilehlých detektorů, ve srážkách dvou protonů a srážkách dvojice jader zlata. V případě vzniku kvark-gluonového plazmatu dostaneme daleko méně takových dvojic pro srážky dvojice jader zlata než bychom dostali extrapolací výsledků měření srážek protonů. A právě toto pozorovaly již minulý rok experimenty na urychlovači RHIC.

Proč tedy čekali fyzikové z Brookhavenu na vyhlášení svých závěrů o dalším důkazu vzniku kvark-gluonového plazmatu až do letošního léta? Chyběl jim ještě jeden krok, aby se jejich důkaz stal nezpochybnitelným. Naše znalosti chování i normální hadronové hmoty a interakce kvarku (výtrysku) v ní jsou značně útržkovité. Proto bylo třeba připravit situaci, kdy vzniká dvojice výtrysků uvnitř prostředí, o kterém zaručeně víme, že se jedná o normální hadronovou (nukleonovou) hmotu. A takové prostředí si fyzikové připravili při srážkách deuteronu (má pouze dva nukleony) s jádrem zlata. V takovém případě kvark-gluonové plazma nevzniká (deuteron je na to příliš malý), ale zároveň máme dostatečný objem normální hadronové hmoty, kterou nám poskytuje jádro zlata. Na takový experiment se čekalo do letošního roku, kdy proběhl. Díky srovnání produkce dvojic výtrysků ve srážkách protonu s protonem, deuteronu se zlatem a zlata se zlatem můžeme teprve získat kýžený důkaz. Ve srážkách zlata se zlatem se pozoruje potlačení produkce dvojic výtrysků oproti předpokladům odvozeným se srážek protonů. Toto potlačení se však nepozoruje ve srážkách deuteronu se zlatem a pozorování se zdají vést k jedinému závěru. Při srážkách zlata se zlatem při tak vysokých energiích, které se dosahují na urychlovači RHIC, vzniká úplně nová forma hmoty, jejíž vlastnosti jsou velmi blízké vlastnostem předpokládaného kvark-gluonového plazmatu. Podrobnější informace i odkazy na publikované články lze nalézt na WWW stránkách jednotlivých experimentů, ke kterým se lze dostat ze stránky laboratoře v Brookhavenu http://www.bnl.gov/physics/. Zda potlačení produkce výtrysků bude tou poslední kapkou, která přesvědčí všechny nevěřící Tomáše, nebo budeme muset počkat na ještě výkonnější urychlovač, který se staví opět v laboratoři CERN, ukáže budoucnost. V každém případě je potvrzení potlačení produkce výtrysků velmi silným argumentem ve prospěch existence takové hmoty a jedná se o skvělý výsledek. Na cestě za poznáním vlastností velmi horké a husté hmoty jsme tím postoupili o značný kus dopředu, ale v duchu citátu A. Einsteina a L. Infelda v záhlaví článku nás určitě ještě čeká velmi namáhavá a strastiplná cesta ale i řada překvapení a radosti z poznání.

Další důkaz pro existenci obyčejného kvark-gluonového plazmatu zvyšuje i pravděpodobnost existence podivného kvark-gluonového plazmatu a tedy i kvarkových (podivných) hvězd. Ovšem, jsou-li velké problémy s odlišením kvark-gluonové plazmatu od jen se "podivně" chovající normální hadronové hmoty, nejméně stejně těžké je rozlišit kvarkovou (podivnou) hvězdu od "podivně" se chovající neutronové hvězdy. Jak bylo zmíněno na začátku, objevilo se v poslední době v odborných časopisech několik zpráv o pozorování kvarkových hvězd, ale ve všech těchto případech se jedná o sporné situace, které lze vysvětlit i pomocí normální neutronové hvězdy (viz článek v Kozmosu č.5 str.6 minulého roku).

O výsledky dalšího studia vlastností velmi horké a husté hmoty má kromě jiných oborů eminentní zájem kosmologie, neboť na počátku Velkého třesku musela hmota vesmíru projít touto fází hmoty. Je to jeden z mnoha důležitých experimentálních údajů, kterými může jaderná fyzika a fyzika elementárních částic pomoci kosmologii. Přehled naměřených a předpokládaných experimentálních dat a jejich důsledky pro naše poznání vývoje vesmíru připravuji pro následující číslo časopisu Kozmos.
 
 

Vladimír Wagner

ÚJF AVČR Řež

E_mail: WAGNER@UJF.CAS.CZ

WWW: http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/

 

Zpet