Obecně přijímanou kosmologickou teorií o raném vývoji a dnešní podobě vesmíru je ta, kterou známe jako Velký třesk. Předpokládá, že vesmír byl před 13,8 miliardy let ve formě takzvané počáteční singularity, což je stav, kdy teplota a tlak jsou nekonečné a čas i rozměr jsou pojmy neexistující.
Velký třesk je prvním momentem, kdy se tohle všechno jaksi zvrtne a čas i rozměry začnou fungovat, vesmír se začíná rozpínat, což už začíná být pro normálního smrtelníka akceptovatelnější. Ovšem ani největší mozky současné vědy nedokážou vytvořit byť jen teoretický model systému, jenž Velkému třesku těsně předcházel a svými charakteristikami by odpovídal dnes uznávaným kvantovým teoriím.
Modelová polévka
Od prosince loňského roku už ale máme alespoň něco, a to kvarkovou polévku. Je to v zásadě takzvané kvark-gluonové plazma (někdy též quagma, zkratkou QGP), tedy skupenství hmoty, v níž jsou jednotlivé elementární částice tak blízko u sebe, že v ní přestává působit silná interakce, jež je zodpovědná za to, že kvarky drží pospolu. Totéž pak platí o udržení protonů a neutronů v atomovém jádře. Kvarky i gluony jsou v plazmatu volné a pohybují se neuspořádaně.
Experiment se tak trochu podobá situaci, kdy dva lovci s brokovnicí stojí na opačných stranách pole a jeden se snaží svými broky zasáhnout vystřelené broky toho druhého.
Takhle – alespoň podle předpokladu vědců – mohl vypadat vesmír po dobu několika nanosekund po Velkém třesku za extrémně vysoké teploty a tlaku. Tuto polévku z kvarků a gluonů se podařilo „uvařit“ v americké Brookhavenské národní laboratoři, kde je od roku 2000 v provozu Relativistic Heavy Ion Collider, tedy urychlovač těžkých iontů (RHIC). Není sice tak výkonný jako evropský Velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu, ale zato tu mají víc času právě na srážení zmíněných těžkých iontů.
Co je tu elementární?
Nechme ale na chvilku kvarkovou polévku polévkou, a řekněme si, co to vlastně ty kvarky (a ostatní částice) jsou. Školní fyzika říkala, že základem hmoty je atom, což pohříchu pochází z řeckého výrazu atomos, tedy nedělitelný. V tom standardním modelu atomu jsou protony a neutrony spolu s elektrony. Kdysi se jim říkalo elementární částice, ale pokaždé, když se o něčem takto hovořilo, se ukázalo, že jsou vlastně neelementární, protože se skládají z ještě elementárnějších. Hon na částice, které se už nedají dále rozbít, se pořádá hned v několika laboratořích světa, které disponují velkými urychlovači částic.
Právě gluony drží jádro atomu pohromadě a nevyskytují se samostatně.
Celý experiment se tak trochu podobá situaci, kdy dva lovci s brokovnicí stojí na opačných stranách pole a jeden se snaží svými broky zasáhnout vystřelené broky toho druhého. Jestliže nějaký ten atom rozebereme, zjistíme, že je v něm hmota a zároveň základní interakce, které můžeme pracovně nazvat silami. V intencích současné fyziky známe čtyři síly (interakce), které nazýváme gravitační, elektromagnetická, silná (pro potlačení nudné šedi teorie se jí také říká barevná) a slabá. Zjednodušeně řečeno se ve standardním modelu atomu starají o síly v něm působící částice interakcí – bosony – a částice hmoty – fermiony. Liší se číselnou hodnotou spinu, což je termín, který můžeme pro naši potřebu nahradit pojmem vnitřní moment hybnosti. Bosony mají spin celočíselný, fermiony poločíselný. Fermiony se dělí na dvě skupiny částic – kvarky a leptony – vždy po dvou ve třech takzvaných rodinách.
Voňavá věda
Leptony mohou existovat samy o sobě, kvarky se však musí spojovat. Každý pár kvarků doplňuje pár leptonů. Pojmenování a hodnocení je na fyziku více než romantické, a to podle takzvané vůně. U první rodiny kvarků si vědátoři vystačili jen s označením horní a dolní, v druhé už jsou vůně podivné a půvabné, ve třetí pak dokonce krásné a pravdivé. První rodinu dotvářejí elektron a elektronové neutrino, druhou mion a mionové neutrino, třetí pak tauon a tauonové neutrino. Částice interakcí jsou neméně významné – přenášejí totiž fyzikální veličiny, jako je hybnost a energie, což umožňuje vznik, přeměnu i rozpad systému částic hmoty.
Interakce silná či také barevná používá hned tři náboje: červený, modrý a zelený. Ty nese osm gluonů. Jejich název vychází z anglického výrazu pro lepidlo (glue), protože právě gluony drží jádro atomu pohromadě a nevyskytují se samostatně. Možná s výjimkou glueballů, což je hypotetická subatomární částice zvaná hadron, která by obsahovala pouze gluony. Jinak hadrony (baryony a mezony) se skládají výhradně právě z kvarků. Je jich velké množství, jen těch obsahujících podivný kvark (nazývají se hyperony) je zatím známo na celý telefonní seznam. Vraťme se ale z teorie zpátky do praxe.
Jak vznikaly atomy?
Profesor Jamie Nagle z Coloradské univerzity v Boulderu se svými kolegy v rámci experimentu PHENIX (The Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment) využili sílu srážeče těžkých iontů RHIC a nechali srážet protony, deuterony (jádra deuteria) a helium-3 s atomy zlata. Chtěli dokázat, že jaderná hmota s vysokou hustotou (vyšší než ve středu Slunce) a vysokou teplotou (teplejší než ve středu Slunce) projde fázovým přechodem, kde kvarky a gluony již nejsou omezeny na jednotlivé nukleony a následně za pečlivě kontrolovaných podmínek mohou vznikat kapičky kvark-gluonového plazmatu, které se pak zvětšují do tří různých geometrických tvarů a zároveň se chovají jako kapalina.
Tohle však zatím považovali odborníci za nemožné. Jamie Nagle s týmem tedy nechal vystřelovat výše zmíněné částice do atomů zlata. S různými, nesmírně zajímavými výsledky. Kvark-gluonové plazma, tedy QGP, ve tvaru kruhu – podobně, jako když hodíme kámen do vody – vznikne při zásahu atomu zlata protonem, tvar elipsy získali vědci po vystřelení jádra deuteria a kolize atomu zlata s heliem-3 vyvolala tvar trojúhelníku. Teď je na řadě série pokusů, z níž by se vědci chtěli dozvědět, jak na počátku existence vesmíru QGP chladlo tak, aby se v té polévce zrodily první atomy. Odtud by mohla vést cesta k odhalení tajemství temné hmoty… Nebo také ne, jestliže se podaří smysluplně vzkřísit teorii strun.
Reklama
foto: Shutterstock, zdroj: Medium.com