Foto: ALICE@CERN

Úvod do výzkumu

Vědci z CERNu vytvořili mikroskopické verze raného vesmíru srážkami překvapivě malých atomových jader téměř rychlostí světla. Tyto srážky produkovaly kvark-gluonové plazma, ultrahorkou hmotu, o které se věří, že naplnila kosmos krátce po Velkém třesku. Ještě zajímavější je, že částice, které zůstaly, odhalují tvar jader, která je vytvořila, což nabízí nový způsob, jak zkoumat jak jadernou fyziku, tak nejranější okamžiky vesmíru.

Autor původního článku: redakce

Rekonstrukce raného vesmíru

Vědci z Univerzity v Kodani zrekonstruovali primordiální stav hmoty, o kterém se věří, že naplnil vesmír krátce po Velkém třesku, pomocí srážek mezi atomovými jádry, která jsou mnohem menší, než vědci dříve považovali za možné. Tyto mikroskopické verze raného vesmíru by mohly pomoci vědcům pochopit jak první okamžiky kosmické historie, tak některé z nejhlubších otázek v jaderné fyzice.

Jaký byl vesmír před vznikem hvězd?

Co bylo ve vesmíru před tím, než existovaly hvězdy, planety, atomy a další známé formy hmoty? V CERNu ve Švýcarsku se fyzici snaží odpovědět na tuto otázku tím, že reprodukují některé z extrémních podmínek, které existovaly ve vesmíru krátce po jeho vzniku. Výzkumníci z Niels Bohr Institute, pracující s vědci z mezinárodní spolupráce ALICE, nyní udělali důležitý krok k tomuto cíli.

Rekonstrukce primordiální hmoty vesmíru

V CERNu mohou být atomová jádra urychlena téměř na rychlost světla a srážena dohromady. Tyto srážky mohou vytvořit malé kapky kvark-gluonového plazmatu, mimořádného stavu hmoty, o kterém se věří, že naplnil vesmír během první miliontiny sekundy. Vědci dlouho věřili, že produkce tohoto plazmatu vyžaduje srážky mezi velmi těžkými jádry, jako je olovo. Nové experimenty ukazují, že mnohem menší jádra mohou také generovat primordiální materiál. Vědci jej úspěšně vytvořili srážkou jader kyslíku-16 a neonu-20.

Nové poznatky o kvark-gluonovém plazmatu

„Posunuli jsme hranici toho, jak malá mohou být atomová jádra, zatímco stále znovu vytvářejí tuto primordiální hmotu – co byste mohli nazvat Malým Velkým třeskem. Nyní víme více o základních podmínkách potřebných pro přechod hmoty do tohoto extrémního stavu,“ říká docent You Zhou, který vedl experiment a donedávna pracoval na Niels Bohr Institute na Univerzitě v Kodani. Dodává: „Doufejme, že nám to pomůže lépe pochopit, jak se plazma chovalo během prvních okamžiků vesmíru – a jak se později vyvinulo do forem hmoty, z nichž je vše kolem nás tvořeno.“

Malý Velký třesk s podpisem kuželky

Když se atomová jádra srážejí při obrovských rychlostech, jejich složky se mohou transformovat do extrémně malé kapky kvark-gluonového plazmatu. Kapka přežije jen na zlomek sekundy, než se rozšíří a přemění na jiné částice. Vědci nemohou plazma samo přímo pozorovat. Místo toho měří částice, které se objeví bezprostředně poté, a studují, jak se tyto částice pohybují. Nové výsledky ukazují, že tyto pohybové vzory uchovávají informace o původním tvaru srážejících se jader.

Zkoumání jaderné struktury pomocí extrémních srážek

Fyzici se snaží pochopit tvary a vnitřní struktury atomových jader více než 70 let. Otázka má obzvlášť hluboké spojení s Niels Bohr Institute. Aage Bohr obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1975 za svou práci na struktuře atomového jádra. Tvar jádra je důležitý pro mnohem více než jen geometrii. Odráží, jak jsou uspořádány protony a neutrony, a může poskytnout cenné informace o silné síle – jedné ze čtyř základních sil přírody, kterou vědci stále plně nechápou.

Budoucí výzkum a nové možnosti

Tradičně fyzici zkoumali jadernou strukturu pomocí relativně nízkoenergetických experimentů, včetně měření, jak atomová jádra rotují a vibrují. Nový přístup tuto strategii obrací. Místo jemného zkoumání jader je vědci srážejí při nejvyšších dostupných energiích a rekonstruují jejich tvary z vzorů, které zanechávají. „Přesné pochopení jaderné struktury nám pomáhá pochopit silnou sílu. Ale místo pečlivého zkoumání jader při nízkých energiích je srážíme při nejvyšších energiích, které můžeme vytvořit, a nyní můžeme číst jejich tvar z otisku, který zanechávají,“ říká You Zhou.

Quark-gluonové plazma a jeho význam

Vědci stále nevědí přesně, jak malý může být systém srážek, zatímco stále produkuje kvark-gluonové plazma. Určení této hranice je jedním z dalších hlavních cílů. Tým proto plánuje provést další experimenty s použitím ještě lehčích atomových jader, včetně helia-4. „Co je fascinující, je, že můžeme použít stejný experiment k tomu, abychom se dozvěděli o struktuře atomových jader a získali lepší pochopení toho, co se stalo během zrodu vesmíru. Tyto dvě věci se ukazují být mnohem úžeji propojené, než by se na první pohled mohlo zdát,“ uzavírá You Zhou.

Co je kvark-gluonové plazma?

Kvark-gluonové plazma je extrémně horký a hustý stav hmoty, který existoval během první miliontiny sekundy po Velkém třesku. Během tohoto období byly teploty tak extrémní, že protony a neutrony ještě nevznikly. Místo toho se částice, které je tvoří – kvarky a gluony – pohybovaly volně v jakési horké „polévce“. Jak se vesmír rozšiřoval, jeho teplota klesala. Kvarky a gluony se nakonec spojily a vytvořily mimo jiné protony a neutrony. Tyto částice se později staly součástmi atomových jader a nakonec i běžné hmoty nalezené v hvězdách, planetách a v nás samotných.