K počiatkom vesmíru – cesta tam a späť

12. jún. 2017 • Fyzikálne vedy

K počiatkom vesmíru – cesta tam a späť

Kvarkovo-gluónová plazma je stav hmoty, ktorý existuje pri extrémne vysokých teplotách a tlakoch. Pozostáva z voľných kvarkov a gluónov. Vesmír sa nachádzal, podľa súčasných znalostí o jeho histórii, v stave kvarkovo-gluónovej plazmy niekoľko mikrosekúnd po Veľkom tresku.

V čase asi jednej mikrosekundy od Veľkého Tresku teplota vesmíru poklesla natoľko, že dovtedy pretrvávajúci stav (kedy tam boli silne interagujúce častice – kvarky a gluóny) vykonal fázový prechod, pri ktorom došlo ku kondenzácii kvarkov a gluónov do hadrónov (protónov, neutrónov, piónov a pod.). Od tohto momentu je existencia voľných kvarkov a gluónov v prírode nemožná. Musí prejsť 13,5 miliardy rokov, aby sa postupne objavila Slnečná sústava, život na Zemi a jeho vrcholný predstaviteľ človek začal rozmýšľať nad tým, či by sa nedalo nájsť miesto vo vesmíre, kde by panovali podobné podmienky pred kondenzáciou kvarkov a gluónov alebo či by sa nedal podobný stav vytvoriť v laboratórnych podmienkach.

Z prezentácie RNDr. Ivana Králika, CSc.

Uväznenie kvarkov v hadrónoch (tak sú označované silno interagujúce častice) je spôsobené tým, že náboj silnej interakcie mediátor silnej interakcie – gluón – je nabitý (u elektromagnetickej interakcie je fotón elektricky neutrálny) a môže mať 8 rôznych stavov (na rozdiel od elektrického náboja, ktorý má len dva stavy). Silná interakcia na krátkych vzdialenostiach (menej ako 1 fm) klesá so štvorcom vzdialenosti (rovnako ako elektrostatická sila), ale na väčších vzdialenostiach je príťažlivá sila konštantná. Ak by sme sa pokúsili vytrhnúť kvark z hadrónu a začali zväčšovať vzdialenosť medzi ním a ostatnými zložkami hadrónu, zvyšovali by sme energiu poľa gluónov priamo úmerne tejto vzdialenosti. Keď energia dosiahne hodnotu kľudovej energie (hmotnosti) páru kvark – antikvark, táto energia sa premení na hmotu, takýto pár vznikne, antikvark sa prilepí k vytrhávanému kvarku a vytvorí mezón, kvark sa prilepí k zvyšku hadrónu a vytvorí nový hadrón. Excitáciou hadrónu tak získame dva nové hadróny a žiaden voľný kvark.

Z prezentácie RNDr. Ivana Králika, CSc.

Náboje kvarkov existujú v stavoch pripomínajúcich farby viditeľného spektra – červenú, zelenú, modrú (alebo anti-červená, anti-zelená, anti-modrá, a náboj gluónu je kombinácia farby a anti-farby). Príroda požaduje, aby všetky kvarky boli uväznené v hadrónoch takým spôsobom, aby „farba” viazaného stavu bola biela, t. j. alebo trojica „červená+modrá+zelená” alebo dvojica „farba+anti-farba”.

Pri normálnej hustote jadrovej hmoty je každý kvark lokalizovaný v objeme veľkosti protónu – s polomerom asi 1 fm. Zvyšovaním hustoty nukleónov (stláčaním jadrovej hmoty) začnú kvarky z jedného nukleónu blúdiť do objemu iných kvarkov a pri dostatočne vysokej hustote jednotlivé kvarky stratia pojem o tom, kam patria. Nukleóny sa „rozpustia” a kvarky získajú slobodu (v rámci objemu omnoho väčšieho akým je objem protónu). Ocitnú sa, spolu s gluónmi, v stave, ktorý existoval vo vesmíre asi 1 mikrosekundu od Veľkého Tresku. Tento stav sa nazýva kvarkovo-gluónová plazma.

Prírodnými zdrojmi kvarkovo-gluónovej plazmy je alebo ranné štádium vesmíru (len nebolo nikoho, kto by to pozoroval a povedal nám, aké to má fyzikálne vlastnosti), alebo sa hmota v takomto stave môže nachádzať v jadrách neutrónových hviezd (kam je tiež prakticky nemožné sa pozrieť a niečo zmerať).

Umelým (laboratórnym) nástrojom, ktorý by mohol vyrobiť hmotu v stave kvarkovo-gluónovej plazmy, sú zrážky ťažkých iónov pri ultrarelativistických energiách (keď kľudová energia zrážajúcich sa objektov je zanedbateľná v porovnaní s ich celkovou energiou).

Z prezentácie RNDr. Ivana Králika, CSc.

Pri zrážke dvoch ťažkých jadier dôjde k mnohonásobným nukleón-nukleónovým zrážkam. V každej z nich vzniká množstvo nových častíc, ktoré sa uvoľňujú do obmedzeného priestoru, čím dôjde k silnému nahriatiu a stlačeniu jadrovej hmoty. Vytvorí sa oblasť veľmi horúcej stlačenej jadrovej hmoty, ktorá sa začína rozpínať. Ak sa podarilo dosiahnuť potrebné podmienky, tak kvarkovo-gluónová plazma by sa mala vytvoriť v tejto fáze zrážky. (Najvyššia nameraná teplota v takomto stave je zaregistrovaná v Guinessovej knihe rekordov a jej hodnota je 5 500 000 000 000 K = 5.5x1012 K, hodnoty z experimentu ALICE na LHC v CERN). Potupným rozpínaním tejto horúcej “kvapky“ dochádza k jej postupnému ochladzovaniu, až kým jej teplota nedosiahne hodnoty, pri ktorej dochádza ku kondenzácii voľných kvarkov a gluónov na bezfarebné hadróny. Tieto existujú nejaký čas vo forme hadrónového plynu s mnohonásobnými vzájomnými zrážkami a kolektívnou expanziou až do momentu, keď hustota tohto plynu poklesne natoľko, že ďalšie zrážky medzi hadrónmi sú nemožné a tieto sa rozletia do vákua a sú potom experimentálnou aparatúrou zaregistrované.

Z prezentácie RNDr. Ivana Králika, CSc.

Celý vyššie opísaný proces trvá veľmi krátko (z hľadiska nás, z hľadiska mikrosveta je to dlhý čas) rádovo asi 10 – 23 s a vytvorenie kvarkovo-gluónovej plazmy priamo pozorovať nemôžeme. V 80-tych rokoch 20. storočia boli navrhnuté vhodne zvolené „znamenia“ (signatúry), ktoré môžu vydať svedectvo o možnom fázovom prechode a o vlastnostiach nového skupenstva hmoty. Využíva sa ten fakt, že rôzne druhy častíc môžu vznikať v rôznych fázach procesu zrážky a podľa toho, ako ochotne intergujú s okolím, si pamätajú inú časť spoločného príbehu. To, čo experimentálne pozorujeme, môžme prirovnať k filmu, ktorý je celý zapísaný na jedno políčko filmu. K rekonštrukcii príbehu sa využívajú naše znalosti prírodných zákonov a tam kde znalosti alebo fakty chýbajú, sú vytvárané pracovné hypotézy, ktoré sa experimentálnymi dátami alebo potvrdzujú, čím dochádza k postupnému upresňovaniu našich znalostí o kvarkovo-gluónovej plazme a o procesoch, ktoré nastávajú pri zrážke dvoch atómových jadier.

V súčasnosti je v „prvej línii“ tohto výskumu experiment ALICE na LHC v CERN. Urýchľovač LHC umožňuje urýchliť jadrá olova na energie porovnateľné s energiou padajúcej mince 20 českých halierov z výšky 2,5 cm – čo je makroskopická energia uvoľnená do priestoru niekoľkých fm3, t .j. objemu atómového jadra. Samotný experiment ALICE dovoľuje registrovať čo najviac možných signálov a „znamení“. Analýza týchto signálov dovoľuje odhaliť čoraz viac z príbehu siahajúcemu až k prvej mikrosekunde po Veľkom Tresku.

RNDr. Ivan Králik, CSc.Jadrový fyzik RNDr. Ivan Králik, CSc., pochádza z Rožňavy. Študoval na Matematicko-fyzikálnej fakulte Karlovej Univerzity v Prahe, odbor Jadrová fyzika. Pôsobí v Ústave experimentálnej fyziky SAV v Bratislave. Od roku 1991 sa venuje štúdiu kvarkovo-gluónovej plazmy.  V roku 2002 získal Cenu SAV v oblasti medzinárodnej spolupráce s Európskym laboratóriom pre časticovú fyziku (CERN) v Ženeve. Tému K počiatkom vesmíru – cesta tam a späť (Kvarkovo-gluónová plazma) prezentoval v Bratislavskej vedeckej cukrárni, ktorá sa uskutočnila dňa 25. 5. 2017 o 9.00 hod. v Centre vedecko-technických informácií SR (CVTI SR) v Bratislave.

 

Autor: Ivan Králik, Ústav experimentálnej fyziky SAV, Košice

Redigovala a uverejnila: Marta Bartošovičová, NCP VaT pri CVTI SR

Foto: NCP VaT 

Obrázky: z prezentácie RNDr. Ivana Králika, CSc.

 

Súvisiace:

Hore
QUARK
téma mesiaca
Aurelium - centrum vedy
Veda v Centre
Prechod VK na VND - jeseň
kúpa časopisov jún 2016
Extrapolácie 2017
TAG História
TAG Rozhovor
TAG Publikácia
TAG Zaujímavosti vo vede
TAG Centrum vedy
TAG Mládež
TAG QUARK
TAG Ženy vo vede
TAG Spektrum vedy
TAG Slovenská veda
banner záhrady
Zaujímavosti vo vede
Parazitárne infekcie zvierat môžu byť prenosné aj na človeka.
Zistite viac