Výsledky studia vířivosti kvark-gluonového plazmatu na titulní stránce časopisu Nature.

Velmi horká a hustá jaderná hmota vyplňovala náš vesmír na úplném počátku jeho existence. Vzniká také při těch nejenergetičtějších jevech, jako jsou například výbuchy supernov. Pro pochopení průběhu těchto přírodních dějů je potřeba poznat její vlastnosti. Stejně jako normální hmota, má i ta jaderná různé fáze. V klasických jádrech a neutronových hvězdách je ve fázi jaderné kapaliny složené z nukleonů (protonů a neutronů, v případě neutronové hvězdy čistě z neutronů). Pokud ji dostatečně ohřejeme, můžeme získat tzv. hadronový plyn. Ten se skládá i z řady dalších hadronů, tedy částic, které interagují silnou jadernou interakcí (podrobný popis rozdělení částic a jejich vlastností je zde). V tomto případě však je interakce mezi nimi menší než u jaderné kapaliny.

Experiment STAR v Brokhavenu (zdroj BNL).

Ještě exotičtější fázi jaderné hmoty dostaneme jejím dalším ohřátím a stlačením. V tomto případě se vlivem extrémního zvýšení hustoty energie uvolní kvarky, které hadrony tvoří a vznikne jich řada nových. Stejně tak vznikne velké množství gluonů, což jsou částice, které zprostředkují silnou interakci. To byl důvod, proč E. V. Shuryak pro tento stav jaderné hmoty navrhl název kvark-gluonové plazma.

Velmi horkou a hustou jadernou hmotu můžeme získat ve srážkách velmi těžkých jader urychlených na rychlosti blízké rychlosti světla, a tedy co nejvyšší energie. První náznaky existence této původně hypotetické hmoty se tak objevily v roce 2000 v experimentech v laboratoři CERN. Ty však nebyly dostatečně průkazné, takže objevem kvark-gluonového plazmatu se může pyšnit od roku 2005 laboratoř v Brookhavenu a její experimenty využívající urychlovač RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider). Podrobná studia vlastností této hmoty se nyní provádějí nejen experimenty v této laboratoři, ale také experimenty využívajícími urychlovač LHC v laboratoři CERN. Dominantně experimentem ALICE, na kterém se podílí i čeští fyzikové z Ústavu jaderné fyziky AV ČR. Ukázalo se, že na rozdíl od teoretických předpokladů interagují částice, které kvark-gluonové plazma tvoří, mnohem silněji. Jedna se tak spíše o kapalinu než o plyn a mluví se tak o silně interagujícím kvark-gluonovém plazmatu.

Ukázalo se, že vlastnosti kvark-gluonového plazmatu jsou velice blízko vlastnostem ideální kapaliny. Kvantová fyzika limituje nejnižší možnou hodnotu viskozity. Určená hodnota viskozity kvark-gluonového plazmatu se této nejnižší možné hodnotě blíží (zde). Jde tak o kapalinu extrémně supratekutou.

Nové studie experimentu STAR s využitím zmíněného urychlovače RHIC publikované nyní v časopise Nature 548 (2017) 62-65 umožnily určit vířivost (vorticity) kvark-gluonového plazmatu. Vířivost je mírou rotace v kontinuu a charakterizuje vířivou strukturu proudění tekutin. Klasickým příkladem vířivosti je točivý pohyb vody při odtoku výpustí z umyvadla nebo rotace vzduchu v synoptickém měřítku. V případě kvark-gluonového plazmatu vznikajícího při kolizích urychlených jader je rotace důsledkem přenosu momentu hybnosti mezi dvěma srážejícími se jádry.

Identifikace částice lambda probíhá pomocí klidové energie určené z hybností a energií jejich produktů rozpadu (zmíněný článek v Nature).

Velikost rotačního pohybu kvark-gluonového plazmatu byla určena měřením polarizace Λ (lambda) částic produkovaných ve srážkách jader zlata na urychlovači RHIC. Částice je polarizována, jestliže její vnitřní moment hybnosti (spin) je orientován ve směru momentu hybnosti plazmatu. Částice Λ je neutrální hadron, přesněji baryon, a ještě přesněji podivný baryon – hyperon (o částicích zde). Z našeho pohledu žije velmi krátce, i když z pohledu světa částic relativně dost dlouho. Jeho vznik a vlastnosti lze identifikovat pomocí detekce produktů jeho rozpadu. Její výhodou je, že v případě rozpadu na proton a pí mezon vylétá proton převážně ve směru spinu Λ, což lze snadno změřit.

Zimní škola studentů oboru experimentální a částicové jaderné fyziky na FJFI ČVUT je možností diskutovat i výsledky studia vlastností kvark-gluonového plazmatu, kterého se studenti účastní. Vždy se snažím alespoň části se zúčastnit a zajímavé nové informace si v podání studentů poslechnout. Toto je foto z ročníku v lednu 2017, (Zdroj stránky skupiny EČJF)

Experimentem STAR prokázal, že se plazma při srážkách těžkých jader otáčí s frekvencí až 10²² krát za sekundu. Toto malé „supertornádo“ je tedy nejrychleji se otáčející pozorovanou tekutinou. Dostáváme tak možnost studovat extrémní hodnoty některých veličin a tím i úplně nové jevy, které v takto exotické formě hmoty mohou vznikat.

Jde například o vznik extrémně intenzivních magnetických polí. Dvě proti sobě letící elektricky nabitá jádra vytvářejí podle Biot-Savaratova zákona v místě srážky extrémně silné, byť jen velmi krátce existující, magnetické pole. Teoreticky očekávaná hodnota magnetického pole vytvořeného ve srážce dvou jader zlata na urychlovači RHIC je 10¹⁴ T což je tisíckrát více nežli u nejsilnějších známých zdrojů magnetických polí - neutronových hvězd nazývaných magnetary. Protony a neutrony mají spiny (momenty hybnosti) a i magnetické dipólové momenty. Stejně tak je má i částice Λ. Chovají se tak jako malé magnetky, které jsou v magnetickém poli orientovány do konkrétního směru. Z polarizace Λ částic tak lze určit velikost pole indukovaného srážejícími se jádry. Nynější výsledky získané experimentem STAR jsou základem pro příští přesnější měření, které umožní určit jeho přesnou konkrétní velikost.

Významnou součástí experimentu STAR jsou i čeští vědci z Ústavu jaderné fyziky AV ČR v Řeži a Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze a na studiích vlastností kvark-gluonového plazmatu se intenzivně podílejí i naši studenti.

Poděkování Při psaní této informace jsem využil materiálů kolegy Michala Šumbery, který je do práce experimentu STAR intenzivně zapojen.