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.
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.
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).
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 = 5.5×1012 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.
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.
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.