Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 26 – vyšlo 28. června, ročník 22 (2024) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

26/2024

Rychlost zvuku v plazmatu malého třesku byla změřena!

Petr Kulhánek

Do přibližně deseti mikrosekund existence vesmíru měla látka podobu kvarkového-gluonového plazmatu (QGPQGP – kvarkové-gluonové plazma. Podaří-li se nám „dostat“ kvarky na vzdálenosti menší než 10⁻¹⁵ m, začnou se kvarky a gluony chovat jako volné (nevázané) částice. Tím vznikne zcela zvláštní stav hmoty nazývaný kvarkové-gluonové plazma. Poprvé byla tato fáze látky připravena na urychlovači SPS ve středisku CERN v roce 2000. Ve vesmíru existovalo QGP v období do 10 mikrosekund po vzniku vesmíru.). V deseti mikrosekundách poklesla teplota na řádově 10¹² kelvinu, což vedlo k fázovému přechodu, při němž gluonovéGluony – intermediální (polní, výměnné) částice silné interakce, která působí na hadrony a je krátkého dosahu. Tato interakce spojuje kvarky v mezony a baryony, udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a způsobuje některé rychlé rozpady elementárních částic. Celkem známe 8 gluonů. Tyto polní částice jsou nositeli barevného náboje (náboje silného interakce). Tím se silná interakce odlišuje od elektromagnetické a slabé interakce. pojivo pospojovalo silnou interakcíSilná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10⁻¹⁵ m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD). kvarky do větších celků – hadronůHadrony – částice složené z kvarků, které interagují silnou a slabou jadernou interakcí, pokud jsou nabité, také elektromagneticky. Dělíme je na mezony složené z kvarku a antikvarku a baryony složené ze tří kvarků různých barev. Název je odvozeninou z řeckého hadros (silný, těžký). K nejznámějším mezonům patří piony, k nejznámějším baryonům neutron a proton. Hmotnosti hadronů převyšují hmotnost elektronů o několik řádů. Jejich interakce s látkovým prostředím se výrazně liší jak od elektronů, tak i od fotonů.. Hovoříme proto o tzv. hadronizaci látky. K hadronům patří i neutrony a protony, z nich jsou složeny současné struktury, které ve vesmíru pozorujeme, samozřejmě včetně nás samotných. V roce 2000 se podařilo kvarkové-gluonové plazma poprvé připravit uměle v komplexu urychlovačů CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web.. Experimentům se dnes říká „malý třesk“ a jsou v současnosti prováděny na dvou místech na světě: s jádry olova v evropském komplexu CERN (na Velkém hadronovém kolideru LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015.) a s jádry zlata v americké Brookhavenské národní laboratoři (na urychlovači RHICRHIC – Relativistic Heavy Ion Collider, urychlovač v Brookhavenské národní laboratoři s obvodem 6 700 metrů. Při srážkách jader zlata zde vytvářejí na detektorech Phoenix a STAR kvarkové gluonové plazma.). Výzkum kvarkového-gluonového plazmatu je mimořádně důležitý nejen pro pochopení této extrémní formy látky, ale i pro zjištění, jak se v nejjemnějších detailech chovají neutrony, protony a atomová jádra.

Detektor CMS v CERN, ve kterém byla změřena rychlost zvuku
v kvarkovém-gluonovém plazmatu. Zdroj: CERN/CDS.

Silná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10−15 m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD). QCD – Quantum Chromodynamics, kvantová chromodynamika, teorie silné interakce. Kvarky interagují prostřednictvím polních částic silné interakce – gluonů. Silnou interakcí drží pohromadě kvarky například v neutronech a protonech. Silná interakce je zodpovědná i za soudržnost atomového jádra. K typickým rysům silné interakce patří uvěznění kvarků a jejich asymptotická volnost na malých vzdálenostech. Nábojem silné interakce je „barva“, odsud název chromodynamika. Dosah silné interakce je přibližně 10−15 m. QGP – kvarkové-gluonové plazma. Podaří-li se nám „dostat“ kvarky na vzdálenosti menší než 10−15 m, začnou se kvarky a gluony chovat jako volné (nevázané) částice. Tím vznikne zcela zvláštní stav hmoty nazývaný kvarkové-gluonové plazma. Poprvé byla tato fáze látky připravena na urychlovači SPS ve středisku CERN v roce 2000. Ve vesmíru existovalo QGP v období do 10 mikrosekund po vzniku vesmíru. Kvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce. Gluony – intermediální (polní, výměnné) částice silné interakce, která působí na hadrony a je krátkého dosahu. Tato interakce spojuje kvarky v mezony a baryony, udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a způsobuje některé rychlé rozpady elementárních částic. Celkem známe 8 gluonů. Tyto polní částice jsou nositeli barevného náboje (náboje silného interakce). Tím se silná interakce odlišuje od elektromagnetické a slabé interakce.

Kvarkové-gluonové plazma

Pokusy o vytvoření pralátky, z níž vznikal vesmír, započaly v největším komplexu urychlovačů CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. v roce 1994. Po šesti letech experimentů, slepých uliček a dílčích úspěchů se v roce 2000 podařilo tuto formu látky poprvé připravit. Při srážce urychleného jádra olova se stojícím jádrem se uvolnila taková energie, že teplota překročila stotisícinásobek teploty v nitru Slunce a hustota dosáhla dvacetinásobku hustoty atomového jádra. Za těchto podmínek se nejprve vytvoří fáze připomínající svými vlastnostmi amorfní látku, například sklo, pro kterou se vžilo označení glasma (zkratka z anglického glass plasma). Vzápětí se protony a neutrony rozmělní na kvarkové-gluonové plazma, v němž jsou kvarky zcela volné. Vzniklá kvarková koule přetrvává řádově 10⁻²² sekundy, takže jakékoli přímé měření jejích vlastností je vyloučené. V chladnoucí kvarkové kouli začnou probíhat stejné procesy jako při velkém třesku. Kvarky se za pomoci gluonů spojují do větších celků – hadronů. Veškeré vlastnosti vzniklé formy látky jsou určovány pouze z chování částic vylétávajících z interakční oblasti.

Jednotlivé fáze vzniku a rozpadu kvarkového-gluonového plazmatu. Zdroj: BNL.

Určení rychlosti zvuku

V roce 2024 byla publikována první měření rychlosti zvuku v kvarkovém-gluonovém plazmatu. Článek má 21 stran, z toho je ale pouhých šest stran věnováno provedenému výzkumu. Zbytek je seznam autorů, jejich pracovišť, literatura a poděkování. Mílovými kroky se blížíme do doby, kdy se vědecký článek stane knihou a její předmluva bude vlastním sdělením. Experimenty byly prováděny s urychlenými jádry olova na urychlovači LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015.. Ke srážkám jader ze dvou vstřícných svazků docházelo v detektoru CMSCMS – Compact Muon Solenoid. Víceúčelový detektor vybudovaný v CERN pro urychlovač LHC, vážící 12 500 tun, který je schopen mj. detekovat Higgsovy částice. (viz úvodní obrázek). Autoři experimentu vybírali jen velmi vzácné čelní srážky jader a z částic vylétávajících po srážce rekonstruovali hustotu energie v plazmatu vzniklém krátce po srážce. Z mnoha analyzovaných srážek se jim podařilo zjistit rychlost, kterou se hustota energie šířila plazmatem. Za extrémních podmínek experimentu je rychlost šíření hustoty energie totožná s rychlostí šíření tlakové vlny, tedy zvuku.

Nejbližším dalším cílem je určení prahové hodnoty rychlosti zvuku. Při chladnutí kvarkové-gluonové koule dochází k postupnému snižování rychlosti zvuku. V okamžiku hadronizace (kvarkyKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce. se začnou spojovat do hadronůHadrony – částice složené z kvarků, které interagují silnou a slabou jadernou interakcí, pokud jsou nabité, také elektromagneticky. Dělíme je na mezony složené z kvarku a antikvarku a baryony složené ze tří kvarků různých barev. Název je odvozeninou z řeckého hadros (silný, těžký). K nejznámějším mezonům patří piony, k nejznámějším baryonům neutron a proton. Hmotnosti hadronů převyšují hmotnost elektronů o několik řádů. Jejich interakce s látkovým prostředím se výrazně liší jak od elektronů, tak i od fotonů.) je rychlost zvuku nejnižší. Určení této hranice z experimentů je velkou výzvou experimentů s kvarkovým-gluonovým plazmatem. Naměřená rychlost zvuku umožňuje testovat teorii silné interakce – kvantovou chromodynamiku na zejména její numerickou implementaci, při níž se výpočty provádějí na předem definované mříži bodů (LQCDLQCD – Lattice QCD, kvantová chromodynamika na mříži. Jde o numerickou implementaci kvantové chromodynamiky, při níž jsou hledané hodnoty udržovány jen ve vrcholech předem dané mříže. Takový výpočet dokáže oříznout nekonečné hodnoty vznikající při výpočtech v rámci kvantové chromodynamiky., viz AB 47/2009, 3/2010). Takový postup dovoluje provést výpočty v rozumném čase a navíc přítomnost mříže ořízne nekonečné hodnoty, které kvantová chromodynamika obsahuje (dojde k tzv. renormalizaciRenormalizace – matematická procedura vedoucí k odstranění některých nekonečen vyskytujících se v kvantové teorii.). Otestování našich metod popisu silné interakce povede k větší relevantnosti výpočtů vlastností neutronů, protonů a atomových jader. V astronomii se mj. zpřesní modely nitra neutronových hvězd. Experimenty na hranici poznání, k nimž příprava kvarkového-gluonového plazmatu bezesporu patří, umožňují lepší pochopení struktury látky a vývoj dalších špičkových technologií.

Srážka dvou jader zlata vedoucí ke vzniku kvarkového-gluonového plazmatu.
Zdroj: BNL/RHIC:

Odkazy