Jedna z rekordních srážek těžkých jader olova na detektoru ALICE. Kredit: ALICE / CERN.

Velký hadronový urychlovač v CERNu přitvrzuje, přinejmenším obrazně. Evropský stroj na zázraky po svém opětovném spuštění už během léta srážel protony na doposud nevídaných energiích. Teď ale v CERNu nadešel čas přitvrdit muziku a pustit se do srážení těžkých jader atomů olova‑208. Pustili se do toho před pár dny, dopoledne 25. listopadu. Olovo‑208 s 82 protony a 126 neutrony je považováno za nejtěžší ze všech známých stabilních izotopů. Účelem těchto experimentů je studovat hmotu v podobě, jakou měla pouhý mžik po Velkém třesku.

Jens Jørgen Gaardhøje. Kredit: Niels Bohr Institutet.

Velmi brzy po Velkém třesku, asi tak pár miliardtin sekundy, tvořilo náš vesmír kvark‑gluonové plazma, extrémně horká, hustá a šílená polévka volných kvarků a gluonů. Až asi tak jednu miliontinu sekundy po Velkém třesku vychladl vesmír natolik, že se kvarky a gluony mohly spojit a vytvořit protony s neutrony, z nichž se dnes skládají atomová jádra. V dnešním vesmíru, z pohledu kvarků a gluonů velmi studeném a nudném, jsou kvarky obvykle spoutány silnou jadernou silou, kterou zprostředkovávají právě gluony. V ultimátních srážkách Velkého hadronového srážeče ale na okamžik zažívají dávno ztracenou volnost.

Nové srážky těžkých jader olova Pb‑-208, které zachytil detektor ALICE i další detektory LHC, dosáhly energie v těžišti (energy in the center‑of‑mass system) přibližně 1 000 TeV. Tím se částicoví mágové v CERNu stali držiteli historického rekordu a dosáhli snové petaelektronvoltové (PeV) hranice. Spokojený detektor ALICE registroval desetitisíce vzniklých částic.

Kvark-gluonové plazma v diagramu. Kredit: CERN.

Částicoví fyzici miluji metafory. Energii srážek v těžišti 1 000 TeV přirovnávají k energii čmeláka, který do nás vrazí v horkém letním dni. To nezní nijak moc dramaticky, vtip je ovšem v tom, že tahle energie je v případě srážek jader olova zkoncentrovaná do objemu, který je 10 na 27 krát menší než objem čmeláka. Podle šéfa Dánské výzkumné skupiny detektoru ALICE Jense Jørgena Gaardhøjeho z Institutu Nielse Bohra Kodaňské univerzity vzniká při srážkách jader olova v CERNu tak nesmírná hustota energie, že jsme ji ještě nikdy nezažili. 

LHC, detektor ALICE. Kredit: A Saba / CERN.

Gaardhøje vysvětluje, že cílem rekordních srážek je přeměnit ohromující energii těchto srážek na částice, tedy kvarky, antikvarky a gluony, v souladu se slavnou Einstenovou rovnicí E rovná se m krát c na druhou. Na kratičký okamžik vznikne špetka extrémní hmoty tvořené kvarky, antikvarky a gluony, jejíž teplota činí přes 4 biliony stupňů Celsia.

Podle Gaardhøjeho je teď předčasné uvažovat o kompletní analýze dat z prvních rekordních srážek těžkých jader olova. Už se ale ukazuje, že na jednu srážek jader olova o rekordní energii připadá asi 30 tisíc nově vzniklých částic. To podle propočtů odpovídá hustotě energie kolem 20 GeV na femtometr krychlový. Femtometr je přitom jedna biliardtina (čili 10 na mínus 15) metru. To je naprosto rekordní hustota energie, která více než 40 krát přesahuje hustotu energie protonu. 

Proč srážet jádra olovo jako smyslu zbavení? Data ze srážek těžkých jader olova o rekordních energiích vylepší naše představy o kvark‑gluonovém plazmatu a povaze silné jaderné síly. Měli bychom se dozvědět víc o naprosto čerstvém vesmíru, jaký byl miliardtiny sekundy po Velkém třesku.


Video:  Quark, gluon...plasma! #13TeV


Literatura
Niels Bohr Institutet 25. 11. 2015, CERN 25. 11. 2015.