Foto: CERN

V laboratořích CERNu se odehrává fascinující příběh, který mění naše chápání vesmíru. Vědci z Velkého hadronového urychlovače (LHC) objevili důkazy, že i relativně malé atomové srážky mohou znovu vytvořit mimořádný stav hmoty, který naplnil vesmír okamžiky po velkém třesku.

Autor původního článku: Rory Harris

Quark-gluonové plazma: Hmota zrozená z extrémních podmínek

Quark-gluonové plazma (QGP) je exotická látka, která se formuje při teplotách více než 100 000krát vyšších než ve středu Slunce. V těchto podmínkách se běžné částice rozpadají na své základní stavební bloky. Vědci věří, že právě takový stav hmoty existoval v celém vesmíru během prvních miliontin sekundy po velkém třesku.

Nové objevy z LHC

Výsledky přicházejí rok po prvních srážkách kyslíku v LHC. Všechny čtyři hlavní výzkumné spolupráce LHC – ALICE, ATLAS, CMS a LHCb – nyní hlásí známky toho, že tato prapůvodní forma hmoty může vzniknout při srážkách jader kyslíku a neonu. Tyto výsledky zpochybňují dlouholetý předpoklad o nutnosti obrovských sil k vytvoření tak extrémní látky.

Výzva pro staré předpoklady

Po desetiletí se věřilo, že generování tohoto plazmatu vyžaduje srážky velmi těžkých atomových jader, zejména olova. Olověná jádra jsou více než 200krát těžší než protony běžně používané v experimentech LHC, což jim umožňuje produkovat intenzivní podmínky potřebné pro vznik QGP. Nicméně, nedávné objevy stále více zpochybňují tento předpoklad.

Energetické ztráty jako důkaz

Jedním z nejjasnějších způsobů, jak identifikovat quark-gluonové plazma, je zkoumání toho, co se stane, když energetické kvarky a gluony cestují skrz něj. Jak se tyto částice pohybují skrz extrémně horký a hustý materiál, ztrácejí část své energie. Vědci tento proces nazývají ztráta energie partonů, a poskytuje důležitou stopu, že QGP vzniklo.

Potvrzení z více experimentů

Spolupráce ALICE, CMS a LHCb hledaly stejný základní proces pomocí jiného přístupu. Místo zaměření se primárně na energii částicových proudů zkoumaly, jak plazma snižuje produkci určitých energetických částic. CMS zjistila, že produkce nabitých částic byla potlačena jak v srážkách kyslík-kyslík, tak neon-neon ve srovnání se srážkami proton-proton.

Další stopy z exotických částic

Výzkumníci také hledali další charakteristický podpis QGP zahrnující částice složené z těžkého kvarku a jeho odpovídajícího antikvarku. Tyto páry se mohou krátce spojit po vysokoenergetických srážkách. Některé jsou pevněji vázány než jiné, což je činí různě náchylnými k narušení okolním plazmatem.

Nečekané vzory částic

Spolupráce ALICE identifikovala další možný podpis quark-gluonového plazmatu, tentokrát zahrnující směry, ve kterých částice cestují po srážce. V předběžných zjištěních vědci pozorovali, že částice obsahující tři kvarky (baryony) vykazovaly silnější preferenci určitých směrů než částice složené ze dvou kvarků (mezony) během srážek kyslík-kyslík.

Nové okno do prvních okamžiků vesmíru

Vědci pokračují v analýze dat ze srážek zahrnujících lehčí atomová jádra, hledajíce další důkazy o tom, jak se quark-gluonové plazma formuje a chová. Zjištění přetvářejí pochopení podmínek potřebných k produkci jednoho z nejextrémnějších stavů hmoty známých ve fyzice.

Budoucnost výzkumu v CERNu

Mezitím CERN modernizuje Velký hadronový urychlovač na výkonnější High-Luminosity LHC. Vylepšený urychlovač umožní vědcům shromáždit podstatně více dat o srážkách a podrobněji zkoumat vlastnosti quark-gluonového plazmatu.