Sciencemag.cz
Doporučujeme
Gluonové nasycení a kondenzát barevného skla. Původ hmotnosti a skládání spinu.
Nový urychlovač Electron-Ion Collider (EIC) chystá Brookhaven National Laboratory ve spolupráci s Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Zařízení by mělo umožnit hlubší pochopení vlastnosti protonů a neutronů a zjistit, které z nich se odvozují od vlastností samotných kvarků a které z gluonového „lepidla“, jež je poutá k sobě.
Brookhavenská národní laboratoř (spadá pod ministerstvo energetiky USA) připravila v této souvislosti přehled klíčových otázek, k jejichž řešení by projekt mohl přispět:
Původ hmotnosti
Proton a neutron se skládají z kvarků a gluonů. Tyto gluony neustále vytvářejí páry dalších kvarků a antikvarků (nepočítaje v to 3 kvarky základní – „valenční“). Pokud sečteme hmotnosti kvarků, které tvoří proton/neutron, zjistíme ale, že tvoří jen asi 1 % celkové hmotnosti částice. Gluony samy o sobě pak žádnou klidovou hmotnost nemají. Kde se tedy bere zbývajících 99 %? Zdá se, že tato hmotnost pochází z interakční energie mezi vnitřními stavebními kameny protonu/neutronu. Vypadá to trochu paradoxně: nukleony (tedy i atomová jádra, planety a galaxie, celý viditelný vesmír) získávají rozhodující podíl své hmotnosti díky interakcím nehmotných gluonů a téměř nehmotných kvarků. Navzdory více než šesti desetiletím zkoumání jsou naše znalosti a pochopení silné interakce dost malé – třeba ve srovnání s chápáním elektromagnetismu
Spin
Protony a neutrony se skládají ze tří valenčních kvarků (na obrázku výše znázorněných jako větší barevné kuličky se šipkami), gluonů (žlutá vinutí ) a proměnlivého moře další kvarků/antikvarků (dvojice menších barevných kvarků a antikvarků na pravém obrázku). EIC bude zkoumat, jak tyto spiny kvarků a gluonů a jejich možný orbitální pohyb vytvářejí celkový spin protonu. Dosud provedené experimenty ukazují, že spin kvarků a gluonů může vysvětlit pouze asi 40-50 % celkového spinu protonu.
Vědci se domnívají, že zbývající spin protonu musí pocházet z pohybu kvarků a gluonů uvnitř protonu, který je sladěn s oběžným momentem hybnosti protonu (poznámka PH: tady se subjektivně nějak ztrácím). Pouze EIC bude ale schopen změřit, zda teoretické představy odpovídají realitě.
Gluonové nasycení
Měření z minulých experimentů ukázala, že hustota (počet) gluonů uvnitř jader se při vysoké energii zvyšuje. Teorie, která vysvětluje interakce kvarků a gluonů, může toto zvýšení vysvětlit. Při extrémně vysokých energiích, které přesahují experimentálně prozkoumané hodnoty, však určitá základní pravidla příslušné teorie a fundamentální fyziky naznačují, že existuje limit pro to, kam až může hustota gluonů vzrůst.
V takovém režimu se očekává vznik nového stavu nasycené gluonové hmoty, který se nazývá kondenzát barevného skla (color glass condensate, CGC). Teoretické studie naznačují, že CGC by měl mít některé zajímavé vlastnosti, včetně hustoty energie stejně vysoké nebo vyšší, než jaká je v jádru neutronových hvězd. Zda ale CGC skutečně existuje, tím si zatím nejsme úplně jisti a jeho vlastnosti chceme rozhodně prozkoumat podrobněji. (A pokud CGC neexistuje, potřebujeme namísto něj jiný mechanismus omezující/popisující chování gluonů při vysokých energiích.)
Počet gluonů v protonu roste s energií. Teorie předpovídá, že se proton ale gluony nasytí a vytvoří novou gluonovou formu hmoty zvanou kondenzát barevného skla (CGC). Objev a podrobné studium CGC je jedním z hlavních cílů urychlovače Electron-Ion Collider. Credit: Brookhaven National Laboratory
V lednu 2020 americké ministerstvo energetiky oznámilo, že Electron-Ion Collider bude vybudován v Brookhavenské národní laboratoři v New Yorku. Na realizaci EIC nyní pracuje tým fyziků, techniků, inženýrů a dalších odborníků z Brookhavenské a Jeffersonovy laboratoře a dalších spolupracujících partnerů z celého světa. Tým doufá, že stavba bude zahájena v roce 2024 a že urychlovač bude uveden do provozu v roce 2030.
EIC bude produkovat srážky částic rychlostí 1 × 10 na 34 na centimetr čtvereční za sekundu.
Elektrony i některé iontové svazky budou polarizovány, což z EIC činí jediné zařízení na světě s touto schopností.
EIC bude vytvářet srážky s energií od 20 miliard do 140 miliard elektronvoltů (GeV).
Zdroje iontů pro EIC, které se již používají na urychlovači RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) a v přilehlé laboratoři NASA, mohou poskytovat ionty téměř všech prvků periodické tabulky.
EIC bude využívat stávající tunel urychlovače RHIC. Bude vybudováno nové zařízení pro urychlování svazků elektronů.
Zdroj: Brookhaven National Laboratory / Phys.org
