Vesmír pripomínal polievku: nová analýza Veľkého tresku preskúmala miliardy zrážok

Krátko po vzniku vesmíru neexistovali hviezdy, planéty ani atómy. Realitu vypĺňala extrémne horúca a hustá zmes elementárnych častíc s teplotou dosahujúcou bilióny stupňov. Fyzici dnes čoraz presnejšie rekonštruujú podmienky tohto raného obdobia a nový experiment priniesol jeden z najpresvedčivejších dôkazov, že hmota bezprostredne po veľkom tresku sa správala skôr ako horúca polievka elementárnych častíc než ako chaotický plyn, píše ScienceAlert.

Nový obraz začiatku kozmu

Táto exotická forma hmoty sa označuje ako kvark-gluónová plazma. Ide o stav, v ktorom kvarky a gluóny, základné stavebné prvky protónov a neutrónov, ešte neboli viazané do stabilných častíc.

Podľa kozmologických modelov existovala iba zlomok mikrosekundy po veľkom tresku, keď bol vesmír približne miliardkrát horúcejší než povrch Slnka. Ako sa priestor rozpínal a ochladzoval, voľné kvarky sa začali viazať do hadrónov a neskôr vznikli prvé atómy, čím sa otvorila cesta k vzniku známej hmoty.

Moderná experimentálna fyzika dokáže tento dávno zaniknutý stav krátkodobo znovu vytvoriť pomocou urýchľovačov častíc. Vedci z MIT a CERN analyzovali zrážky ťažkých iónov olova v urýchľovači Large Hadron Collider, kde sa jadrá atómov zrážajú rýchlosťami blízkymi rýchlosti svetla. Energia takýchto kolízií je natoľko extrémna, že na okamih vznikne mikroskopická kvapka kvark-gluónovej plazmy, teda materiálu, ktorý napĺňal vesmír v jeho úplných začiatkoch.

Kľúčová otázka znela jednoducho, no fyzikálne mimoriadne náročne: správa sa táto plazma ako súbor nezávislých častíc, alebo ako kolektívne médium podobné tekutine? Odpoveď sa vedci pokúsili nájsť sledovaním pohybu kvarkov prelietajúcich vzniknutou plazmou. Ak médium vykazuje kvapalinové vlastnosti, pohybujúca sa častica by mala vytvárať stopu podobnú vlne za loďou na vode a postupne odovzdávať energiu okoliu.

Práve takýto efekt sa podarilo identifikovať. Kvarky pri prechode plazmou strácali energiu a spomaľovali sa, pričom v prostredí vznikali víry a energetické nerovnosti naznačujúce kolektívne prúdenie.

To znamená, že kvark-gluónová plazma nie je riedkym plynom, ale extrémne hustou a silne interagujúcou kvapalinou. Tento záver podporuje teoretické modely, podľa ktorých ide o takzvanú takmer ideálnu kvapalinu s mimoriadne nízkou viskozitou, možno najdokonalejšiu tekutinu, aká kedy existovala.

Analyzovali miliardy kolízií

Experiment však čelil zásadnému problému. Kvarky sa nikdy nevyskytujú izolovane a pri zrážkach vznikajú typicky v pároch s antikvarkami, ktoré letia opačnými smermi a vytvárajú prekrývajúce sa signály. Vedci preto využili zriedkavejší typ udalostí, pri ktorých vznikne kvark spolu s bozónom Z. Tento elektricky neutrálny nosič slabej interakcie prakticky nereaguje s plazmou, takže slúži ako referenčný bod umožňujúci presnejšie určiť správanie jediného kvarku.

Takéto prípady sú extrémne vzácne. Z miliárd analyzovaných kolízií ich bolo iba niekoľko tisíc, no práve vďaka nim sa podarilo po prvý raz jasne zmapovať energetickú stopu zanechanú jednou časticou v kvark-gluónovej plazme. Výsledky ukázali charakteristické „vlnenie“ energie, ktoré je typické pre kvapalné prostredie a prakticky nemožno vysvetliť modelom nezávislých častíc.

NASA

Objav má širší význam než len potvrdenie jednej vlastnosti exotického materiálu. Kvark-gluónová plazma predstavuje unikátne laboratórium pre štúdium silnej jadrovej interakcie, teda fundamentálnej sily popisovanej kvantovou chromodynamikou.

Práve tá určuje, ako sa kvarky viažu do protónov a neutrónov a tým nepriamo rozhoduje o stabilite všetkej viditeľnej hmoty vo vesmíre. Lepšie pochopenie jej kolektívneho správania môže pomôcť vysvetliť aj extrémne objekty, ako sú neutrónové hviezdy, kde sa hmota nachádza v podobne extrémnych podmienkach hustoty.

Nová experimentálna metóda zároveň ukazuje, že vlastnosti hmoty možno skúmať aj v úplne extrémnych režimoch jednoduchým princípom: narušiť systém a sledovať, ako sa porucha šíri. Presne tak fyzici skúmajú materiály v laboratóriách, len namiesto mechanického otrasu používajú zrážky častíc s energiami blízkymi podmienkam raného vesmíru.

Čítajte viac z kategórie: Novinky