Zvětšit obrázek

Srážeč těžkých relativistických iontů - Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) z ptačí perspektivy. LINAC – lineární urychlovač, AGS – synchrotron urychlující pomocí měnícího se gradientu silného magnetického pole Alternating Gradient Synchrotron. Kredit: Brookhaven National Laboratory

Na přelidněném Long Islandu v americkém státě New York se nachází Srážeč relativistických těžkých iontů (Relativistic Heavy Ion Collider - RHIC), špičkové pracoviště Brookhavenské národní laboratoře (Brookhaven National Laboratory). Ještě nedávno, do spuštění v současnosti nejvýkonějšího urychlovače, Velkého hadronového srážeče (Large hadron collider LHC), byl světovou jedničkou. Letos RHIC slaví své desetiletí a počáteční problémy má tedy již dávno za sebou. Velký okruh má obvod téměř 4 kilometry. Jsou v něm uloženy dva prstence, které nemají přesně kruhový, ale mírně šestiúhelníkový tvar a ve kterých v protisměru obíhají dva paprsky urychlených iontů. Když dva na sebe položené stejné šestiúhelníky vůči sobě trochu pootočíte, budou se jejich rovné strany navzájem křížit. To jsou právě „křižovatky“ obou prstenců kde se proti sobě řítící ionty mohou srážet. Do společného bodu se navádí regulováním jejich rychlosti pomocí změny magnetického pole. Samozřejmě ne všech šest „křižovatek“ se na tento účel využívá a jednotlivé experimenty mají určené ty své, ve kterých jsou umístěny příslušné detektory.

Než jsou ale ionty do tohoto velkého okruhu vpuštěny, musí se za asistence měnících se magnetických polí pořádně rozběhnout nejdříve v lineárním urychlovači, pak v kruhovém synchrotronu AGS (Alternating Gradient Synchrotron – viz obrázek a video).

Krátká názorná animovaná exkurze po trase urychlovaných polarizovaných protonů (s usměrněným spinem):

Kvarková polévka z rychlých iontů

Zvětšit obrázek

Pohled do jedné z detektorových jednotek. Je umístěna na křižovatce dvou prstenců hlavního okruhu, kde dochází ke srážkám proti sobě letících iontů. Kredit: Brookhaven National Laboratory

Nejnovější číslo odborného časopisu Physical Review Letters přináší zhodnocení loňských experimentů Phenix a STAR na urychlovači RHIC. Získané výsledky posouvají naše poznání blíž k okamžiku Big Bangu. Někdy v prvních mikrosekundách existence vesmíru, v podmínkách nepředstavitelně žhavých, došlo k poruše symetrie a díky tomu vzniklo více hmoty než antihmoty. Všechny objekty, které kolem sebe na Zemi i ve vesmíru vidíme, včetně nás, představují ten malý počáteční rozdíl.

Pochopit proč a jak k narušení symetrie mezi počtem částic hmoty a antihmoty došlo, je obrovskou výzvou pro fyziku. Jenže čím blíž se ve svých experimentech snaží přiblížit k podmínkám vesmírného prapočátku, do jeho prvních mikrosekund, tím více energie potřebuje. Při experimentech v RHIC je vzájemná rychlost proti sobě letících hmotných iontů (například protonů, nebo jader atomů) až neuvěřitelná: 99,995 % rychlosti světla. I Einstein by strnul úžasem.

Zvětšit obrázek

Jádro atomu litia ⁷Li – neutrony a protony jsou složeny z kvarků, které silná jaderná interakce prostřednictvím gluonů svazuje do dvojic (π je symbol pro pion).

Když se urychlená atomová jádra srazí, jejich kinetická energie se přetaví do nepředstavitelné teploty až sedmi bilionů stupňů, při které se rozpadnou nejen na protony a neutrony, ale až na jednotlivé kvarky a gluony (částice zprostředkující silnou jadernou interakci, která „lepí“ kvarky do neutronů a protonů). Vzniká 4 biliony ^oC horké kvark-gluonové plazma neboli kvarková polévka. Poprvé se podařila „uvařit“ na urychlovači SPS (Super Proton Synchrotron) v CERN před více než 20 lety. Po svém zpuštění v roce 2000 se právě RHIC stal šampiónem ve výzkumu kvark-gluonového plazmatu. Ale CERNovský LHC od něho hodlá putovní pohár převzít, protože umožňuje dál zvyšovat energii kolidujících iontů a zkoumat, jak se při tomto extrému kvark-gluonové plazma chová, jestli nepřechází z kapalné do plynné fáze (vysvětlení níže). Ale Američané se v souboji s Evropou tak lehce nevzdávají a hodlají v příštích letech svůj RHIC zdokonalovat a modernizovat.

Žhavé plazma jako téměř ideální kapalina

Teorie předpokládala, že se vzniklá kvarková polévka bude chovat jako plyn, ale analýza údajů z detektorů experimentu Phénix/RHIC naznačuje, že se chová spíše jako „polévka“, tedy jako kapalina, ve které částice navzájem intenzivně interagují a při pohybu vykazují vysokou míru vzájemné součinnosti.

Zvětšit obrázek

Relativní nezávislost částic v plazmatu, které se chová jako plyn a jejich vzájemné imterakce v plazmatu, jež se chová jako kapalina. Kredit: Brookhaven National Laboratory

Fyzici tento stav hmoty nazývají „téměř ideální kapalina“, jejíž proudění s minimálním, prakticky nulovým vnitřním třecím odporem - viskozitou, lze popsat rovnicemi hydrodynamiky. 4 biliony stupňů vysoká teplota dělá na prchavý okamžik, kratší než miliardtina biliontiny sekundy, z kvark-gluonového plazmatu tu nejžhavější hmotu, jakou se v pozemských laboratořích podařilo „stvořit“. Steven Vigdor, zástupce ředitele Laboratoře pro jadernou a částicovou fyziku tvrdí, že je to „nejvyšší teplota známá v našem současném vesmíru“. I v jádru Slunce je teplota 250 tisíc krát nižší.

Srážka dvou relativistických iontů – v experimentu Phenix byly použity jádra atomů zlata - je kolébkou zrodu tisíců různých částic vznikajících v rychle chladnoucí kvarkové polévce. Detekce těchto částic a jejich vlastností je zdrojem důležitých informací.

Krátké video zjednodušeně vysvětlující kvarkové složení hadronů (protonů, neutronů), následky srážky dvou atomových jader, nesymetrii a znázorňuje rozdíl, když se plazma projevuje jako téměř ideální kapalina a jako plyn.

Proč existuje hmota?

Zvětšit obrázek

V okamžiku 10^–36 až 10^–32 sekundy po Big Bangu prošel rodící se vesmír stadiem obrovské inflace. Pak ho na několik desítek mikrosekund (miliontin sekundy) vyplňovalo žhavé kvark-gluonové plazma. Převzato ze stránky Cosmology

Fyzikální princip symetrie by se dal zjednodušeně popsat jako neměnnost vlastností fyzikálních systémů při jistých transformacích – například v zrcadlovém zobrazení, nebo při záměně částic za jejich antičástice (blíže: viz odkazy na články V. Wagnera v závěru článku a 1, 2). Kosmologové již dávno teoreticky předpokládají, že k porušení symetrie, díky kterému vznikla veškerá známá hmota vesmíru, mohlo dojít jenom lokálně, v jakýchsi „bublinách“, ve kterých podmínky umožnily částicím se nechovat podle jinak platných pravidel. Něco podobného odhalily i vysokoenergetické srážky jader atomů zlata při experimentech v RHIC. Vědci zjistili, že ve kvark-gluonovém plazmatu dochází v centru kolize k nesymetrickému rozdělení elektrického náboje. Kvarky s kladným elektrickým nábojem (up-kvarky) se objevovaly statisticky více od bodu srážky ve směru vektoru magnetické indukce vnějšího pole, zatímco záporně nabité kvarky (down-kvarky) preferovaly směr opačný. A to, jak se zdá, odporuje principu „zrcadlové“, takzvané P-symetrie.

„Ve všech předchozích studiích systémů ovládaných silnou jadernou interakcí mezi gluony a kvarky se s velkou přesností potvrdilo, že jevy a jejich zrcadlové obrazy se vyskytují ve stejném poměru, nezávisle na směru,“ tvrdí Vigdor. Proto jsou tato pozorování v experimentech na RHIC vskutku překvapující.“

Výsledky zároveň naznačují, že při srážkách dochází i k narušení jiné symetrie – C-symetrie. Ta předpokládá, že při proměně energie na hmotu, nebo obráceně, podle Einsteinové známé formule E=mc² vzniká, případně v anihilaci zaniká stejný počet částic i antičástic. Právě tato symetrie nebyla v prvních okamžicích zrodu universa zachována. I když experimenty na urychlovačích také dospěly k náznakům porušení CP symetrie, stále to ani zdaleka nestačí na vysvětlení veškeré hmoty ve vesmíru. „Naše nové výsledky nasvědčují, že RHIC nabízí jedinečnou možnost v laboratorních podmínkách testovat některé klíčové vlastnosti „bublin“ ve kterých dochází k narušení symetrie,“ – dodává Vigdor.

Další související videa z dílny Brookhaven National Laboratory (v angličtině):

Fyzik Peter Steinberg vysvětluje vlastnosti kvark-glonového plazmatu, které vzniká po zrážce relativistických iontů v urychlovači Relativistic Heavy Ion Collider (1:18 min).

Opět Peter Steinberg vysvětluje, jak kvarky tvoří protony, které se při zrážkách rozpadnou na kvark-gluonové plazma, v němž pak vznikají různé exotické částice (5:12 min).

O kvark-gluonovém plazmatu a jeho studiu pomocí experimentů v RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) napsal Vladimír Wagner z Ústavu jaderné fyziky AV ČR již několik podobnějších popularizačních článků. Doporučujeme a nabízíme odkazy: Osel, Kosmos, Vesmír, Rozhledy.

Zdroje: Physics Today , stránky Brookhaven National Laboratory