Vizualizace kvark-gluonového plazmatu. Kredit: Javier Orjuela Koop.

Hmota, která se ocitne v extrémně vysoké teplotě a tlaku, se promění do skupenství, kterému se říká kvark-gluonové plazma. Je to kvarková polévka, ve které jsou elementární částice tak blízko u sebe, že mezi nimi přestává působit silná jaderná síla. Výsledkem je, že kvarky i gluony jsou uvolněné a jen tak si v plazmatu plavou. Fyzici předpokládají, že kvark-gluonové plazma existovalo ve velice raném vesmíru, asi prvních pár desítek mikrosekund po Velkém třesku.

Od Velkého třesku už uplynulo hodně let. Fyzici si ale rádi hrají a vytvářejí si kvark-gluonové plazma pro sebe. Pracuje na tom i Jamie Nagle z Coloradské univerzity v Boulderu se svými kolegy, v rámci experimentu PHENIX. Ten využívá sílu srážeče těžkých iontů Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) v laboratořích Brookhaven National Laboratory v New Yorku. Jejich výzkum v těchto dnech publikoval časopis Nature Physics.

Jamie Nagle. Kredit: University of Colorado, Boulder.

Nagle a jeho tým sráželi sestavy protonů a neutronů v různých kombinacích, které pálili do atomů zlata. Výsledky jejich experimentů ukazují, že za pečlivě kontrolovaných podmínek mohou vznikat kapičky kvark-gluonového plazmatu, které se pak následně zvětšují do tří různých geometrických tvarů.

Experimenty rovněž přinesly zatím nejsilnější doklady, že se tyto kapičky kvark-gluonového plazmatu chovají jako kapalina. Podle Nagleho tohle odborníci doposud považovali za nemožné. Nagle si to očividně užívá. Jejich výsledky nás prý posouvají mnohem blíže k odpovědi na otázku, jak malé množství hmoty ještě může existovat v tomto vesmíru.

Fyzici se pustili do výzkumu extrémní formy hmoty na brookhavenském srážeči RHIC už na přelomu tisíciletí. Rozběhali těžká jádra atomů zlata, a pak je srazili, aby ve srážce vytvořili teplotu bilionů stupňů Celsia a uvařili tím kvarkovou polévku. O pár let později experimenty na evropské konkurenci, ultimátním srážeči LHC, ukázaly, že kvark-gluonové plazma zřejmě vznikne i při srážce pouhých dvou protonů. To bylo překvapení, protože vědci nevěřili, že by taková srážka dodala dost energie pro vznik kapaliny.

Nagle s kolegy se rozhodli, že to důkladně prověří. Vyšli z toho, že pokud skutečně vznikají nepatrné kapičky kvark-gluonového plazmatu a chovají se jako kapalina, tak by měly udržet tvar i po srážkách. Jako třeba nám důvěrně známé kapičky vody. Badatelé to přirovnávají ke vhození dvou kamenů do vody zároveň. Vlny po jejich dopadech se navzájem prolnou a vytvoří tvar podobný elipse.

Experiment PHENIX. Kredit: Brookhaven National Laboratory.

Nagleho tým neházel kameny do rybníku, ale odpaloval částice do atomů zlata. Experimenty ukázaly, že když se do atomu zlata trefí protonem, tak vznikne kvark-gluonové plazma, které se nafoukne do tvaru kruhu. Když do zlata narazí deuteron, čili jádro deuteria, tak vznikne plazma tvaru elipsy a při srážce zlata s heliem-3 se ukáže tvar trojúhelníku.

Pozoruhodné výsledky experimentů RHIC teď teoretickým fyzikům umožní lépe pochopit, jak po Velkém třesku během úvodních mikrosekund existence vesmíru vychladlo kvark-gluonové plazma, a jak se ve vystydlé kvarkové polévce zrodily první atomy. V Brookhavenu teď budují pokročilý experiment jménem sPHENIX, který bude zkoumat kvark-gluonové plazma v ještě menších měřítcích.

Video: The PHENIX Detector at Brookhaven National Laboratory


Video: Hot Quark Soup Produced at RHIC


Literatura
University of Colorado, Boulder 10. 12: 2018, Nature Physics online 10. 12. 2018.