Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vzniklá jaderná hmota je ve stavu, ve kterém byl vesmír po uplynutí pouhé první mikrosekundy od Velkého třesku.
Nové poznatky o mikrosvětě se snaží získat vědci Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT při výzkumu srážek iontů. V rámci projektu OPVVV „Brookhavenská národní laboratoř – účast České republiky“, který fakulta řeší ve spolupráci s Ústavem jaderné fyziky Akademie věd České republiky a Univerzitou Karlovou, studují na experimentech v Brookhavenské národní laboratoři v USA vlastnosti horké a husté jaderné hmoty vytvářené ve srážkách těžkých iontů. Na této tématice pracují v rámci velkých mezinárodních kolaborací STAR a PHENIX. Konkrétně se podílejí na sběru experimentálních dat a provozu detektorů částic, které ve srážkách iontů vznikají, a tato data dále analyzují.
Spíš než o mikrosvětě bychom měli mluvit o femtosvětě, protože femtometr (10 na -15 m) je velikost protonu v jádře atomu. Samotná jádra zlata, která srážíme na urychlovači RHIC v Brookhavenskí národní laboratoři (BNL), mají velikost jen o něco málo větší než deset femtometrů. V tomto malém prostoru několika femtometrů se odehrávají zajímavé fyzikální procesy, které zkoumáme. Kruhový urychlovač RHIC (z angl. Relativistic Heavy Ion Collider) má obvod 3834 m a mohou se v něm urychlovat ve dvou trubicích proti sobě svazky polarizovaných protonů nebo také jader atomů, nejčastěji jader zlata. Kinetická energie po urychlení je značná, u protonů to může být až 250 GeV a u jader zlata až 200 GeV na nukleon. Takto urychlená jádra se pohybují rychlostí dosahující 99.995 % rychlosti světla a je možné je nechat srazit v prostoru experimentu STAR a co nejpřesněji zaznamenat v jeho detektorech různé částice, které při srážce vzniknou.
Jak vypadal vesmír v prvních mikrosekundách od Velkého třesku?
Experiment STAR dokáže zaznamenávat až tisíc srážek za sekundu. Komplexní analýzou těchto dat na výpočetních centrech v BNL a Lawrence Berkeley National Laboratory v Berkeley získáváme nové fyzikální informace. Pro nás je nejvíce zajímavá část srážky, která trvá po dobu 10 na -23 s. Po tuto dobu je jaderná hmota extrémně horká a hustá. Tento okamžik je zajímavý i z pohledu kosmologie. Když se podíváme na noční oblohu, vidíme typicky světlo z hvězd, které k nám letělo desítky až stovky let. To znamená, že máme ve skutečnosti informaci o vesmíru z nějaké dřívější doby. Když hledáme dál, můžeme najít i starší pohled, například velkou galaxii v souhvězdí Andromedy, která je ve vzdálenosti 1,7 milionů světelných let. Navíc 23. dubna 2009 kosmická observatoř Swift Gamma-Ray Burst pozorovala desetisekundový záblesk v souhvězdí Lva, který doprovázel zánik supernovy před třinácti miliardami let. To je již událost pozoruhodně časově blízká vzniku samotného vesmíru. Avšak o to více je fascinující, že jaderná hmota, kterou ve srážkách jader v BNL vytvoříme, je ve stavu, ve kterém byl vesmír po uplynutí pouhé první mikrosekundy od Velkého třesku.
Za obvyklých podmínek je hmota složená z protonů a neutronů v jádrech atomů a elektronů v jejich atomových obalech. Již od sedmdesátých let minulého století je známo, že i protony a neutrony mají svou vnitřní strukturu a skládají se ze tří kvarků, které na sebe působí silnou interakcí pomocí gluonů. Teorie silných interakcí, nazývající se kvantová chromodynamika, popisuje právě toto vzájemné působení kvarků a gluonů, které nesou tzv. barevný náboj. V přírodě existuje šest typů – vůní kvarků: dolů, nahoru, podivný, půvabný, dolní (krásný), horní (pravdivý) kvark. Z trojic dvou nejlehčích kvarků se skládají protony a neutrony. Částice, které se obecně skládají ze tří kvarků, se nazývají baryony. Každý kvark má také svůj antikvark z antihmoty. Páry kvarku a antikvarku tvoří částice, které nazýváme mezony. Důležitou vlastností silné interakce je to, že na malých vzdálenostech (např. uvnitř protonu) jsou kvarky téměř volné, avšak když je chceme od sebe oddělit, tak to není možné. Kvarky jsou díky tzv. barevnému uvěznění k sobě vázány a při dodávání energie na jejich uvolnění je výhodnější vytvořit z této energie další nové kvarky a antikvarky, které dají vznik dalším částicím a antičásticím.
Využití v medicíně i průmyslu
Při pohledu na fyziku elementárních částic můžeme udělat následující analogii. Vzdálenost, kterou ještě můžeme rozlišit pomocí optického mikroskopu, přímo souvisí s vlnovou délkou použitého světla. Jsou to tedy vzdálenosti přibližně 100 nm. Urychlovač částic je pro náš výzkum něco jako mikroskop. Rozměry, které na něm můžeme studovat, jsou nepřímo úměrné hybnosti, na kterou částice urychlíme. Pro zkoumaní rozměrů objektu velikosti protonu potřebujeme energie alespoň GeV. Praktické využití urychlovačů je obrovské. Většina těchto přístrojů se staví pro účely radioterapie, materiálového výzkumu a pro další průmyslové aplikace. Například v protonovém centru PTC v Praze jsou protony urychlované až na 240 MeV a používají se k přesnému léčení vhodných typů nádorů. Pro potřeby základního výzkumu v částicové fyzice slouží jen malý počet urychlovačů, avšak tyto jsou specifické svou komplexitou a možností urychlovat na velké energie.
Měření vlastností částic
Základní měřitelnou experimentální informací, kterou získáváme, jsou signály z detektorů částic, které poskytují různé informace o částicích, které jimi proletěly. Experiment STAR se skládá z několika vrstev detektorů, které se zaměřují na měření specifických vlastností částic. Při srážce jader zlata na urychlovači RHIC vznikají tisíce částic a jejich antičástic. Tyto částice se tvoří z nových kvarků a antikvarků, vytvořených z kinetické energie srážejících se částíc. Hlavním úkolem experimentálního fyzika je pak z informací z jednotlivých detektorů zrekonstruovat dráhy těchto jednotlivých částic, jejich hybnost a určit, o jaký typ částice se jedná. Nejdůležitějším subdetektorem je v tomto ohledu v experimentu STAR časově projekční komora TPC. Jedná se o plynový detektor válcového tvaru s délkou 4,2 m a průměrem 4 m, který je umístěn v magnetickém poli s indukcí 0,5 T. Jeho úkolem je zejména zaznamenat dráhy nabitých částic.
Jedním z prvních objevů bylo zhášení jetů
Výpočty kvantové chromodynamiky ukazují, že při podmínkách srážek na urychlovači RHIC se tvoří tzv. kvarkové-gluonové plazma (QGP). V tomto stavu nejsou kvarky a gluony vázány do hadronů. Od počátku programu ultrarelativistických srážek se hledají vhodné jevy, které by byly citlivé na existenci QGP a které by nám mohly poskytnout informaci o jeho vlastnostech. Náš výzkumný tým v experimentu STAR se v rámci projektu BNL-CZ detailně zabývá několika procesy, jimž se snaží porozumět. Chceme pochopit, jak energetické kvarky a gluony ztrácejí průletem přes QGP svou energii. Kvarky s vysokou hybností vznikají jen na počátky srážky, kdy je k dispozici nejvíce kinetické energie. Postupně se tato energie spotřebuje na vznik QGP. Tato plazma se velmi rychlé rozpíná a chladne, až jaderná hmota projde fázovým přechodem, podobným tomu na začatku vesmíru, a kvarky a gluony se svážou do pozorovatelných hadronů. Tyto hadrony nebo produkty jejich rozpadů pozorujeme v detektorech. Jedním z prvních objevů na urychlovači RHIC bylo zhášení jetů, kolimovaných spršek částic pocházejících z lehkých kvarků a gluonů s vysokou hybností. Když kvark s vysokou hybností vznikne v páru s jiným kvarkem jako důsledek tvrdé srážky kvarků, prolétá QGP a přitom silně interaguje s kvarky a gluony. Důsledkem těchto interakcí je ztráta jeho původní hybnosti. To se projeví relativním potlačením jetů a částic s vysokou hybností v jádro-jaderných srážkách vzhledem ke srážkám protonů. Pomocí speciálně vyvinutých algoritmů jsme schopni zrekonstruovat jednotlivé jety a studovat jejich strukturu. Výsledky pak srovnáváme s Monte-Carlo simulacemi a teoretickými modely.
Zkoumání energetických ztrát půvabného a krásného kvarku
Dalším tématem našeho výzkumu jsou energetické ztráty kvarků těžkých vůní, tzv. půvabného a krásného kvarku. Za tímto účelem se zabýváme také vývojem křemíkových detektorů pro experimenty a průmyslové aplikace v Centru aplikované fyziky a pokročilých detekčních systémů Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT ve spolupráci se společností ON Semiconductor v Rožnově pod Radhoštěm a dalšími českými firmami. V rámci experimentu STAR jsme se podíleli na přípravě křemíkového detektoru „Heavy Flavor Tracker“ určeného právě pro měření rozpadů mezonů D a B, které obsahují těžké kvarky. Tyto mezony rekonstruujeme pomocí moderních metod strojového učení. Analýzou dat jsme zjistili, že ztráty energie půvabného kvarku jsou velmi podobné těm pro lehké kvarky, avšak o něco těžší krásný kvark ztrácí průchodem QGP méně energie.
Hledání kritického bodu jaderné hmoty
Výzkum v rámci kolaborace STAR přinesl i další zajímavé poznatky. Například to, že QGP má vlastnosti blízké ideální kapalině s nejmenší známou viskozitou. Také jsme zjistili, že následkem srážky dvou jader má tato kapalina extrémní hodnotu vířivosti dosahující až 9 x 10 na 21 s. V neposlední řadě se nám také podařilo pozorovat 18 jader anti-helia.
V nejbližších pěti letech se v rámci experimentu STAR budeme zabývat hledáním kritického bodu fázového diagramu jaderné hmoty a také aktivně zapojovat do přípravy nového elektron-iontového urychlovače EIC, který bude postaven v USA za účelem dalšího hlubšího pochopení silné interakce kvarků a gluonů uvnitř protonu.
Autor: Mgr. Jaroslav Bielčík, Ph.D.
Publikováno v magazínu ČVUT Tecnicall 1/2018
