Fyzici to dlho považovali za nemožné. CERN posunul hranice vedy, vytvorili hmotu z počiatkov vesmíru

Ako vlastne vyzeral náš vesmír v prvých mikrosekundách po svojom zrode, dávno predtým, ako stihli vzniknúť prvé hviezdy, planéty alebo samotné atómy? Túto otázku si astrofyzici a časticoví bádatelia kladú už celé desaťročia. Odpoveď hľadajú v švajčiarskom CERN-e, kde v obrovských urýchľovačoch simulujú extrémne podmienky raného kozmu.

Medzinárodný tím vedcov v rámci experimentu ALICE teraz dosiahol prelomový úspech, ktorý prepisuje doterajšie učebnicové predpoklady. Dokázal vytvoriť takzvaný malý Veľký tresk pomocou zrážok omnoho menších a ľahších atómových jadier, než aké sa doteraz považovali za nevyhnutné. Podobne fascinujúce experimenty posúvajú hranice nášho poznania hmoty, rovnako ako keď vedci zmrazili optické vlákno na extrémne nízke teploty a odhalili nečakané správanie svetla a zvuku.

Doteraz vládlo presvedčenie, že na dosiahnutie takýchto extrémnych stavov hmoty sú potrebné výhradne kolízie ťažkých prvkov, akým je napríklad olovo. Nová štúdia publikovaná v prestížnom časopise Physical Review Letters však jasne demonštruje, že rovnaký jav je možné spustiť aj s omnoho skromnejším materiálom.

Prvotná polievka z úsvitu vesmíru

V prvých milióntinách sekundy po Veľkom tresku bol vesmír taký horúci a hustý, že v ňom nemohli existovať ani len základné stavebné kamene bežnej hmoty, akými sú protóny a neutróny. Namiesto nich vypĺňala priestor exotická látka známa ako kvarkovo-gluónová plazma.

V tomto stave sa elementárne častice, teda kvarky a nosiče silnej interakcie gluóny, pohybovali úplne voľne v podobe vriacej polievky. Až keď sa rozpínajúci sa vesmír ochladil, tieto častice sa začali spájať do zložitejších štruktúr, z ktorých neskôr vznikli hviezdy, planéty a v konečnom dôsledku aj my sami.

Vedci z Inštitútu Nielsa Bohra spolu s kolegami z experimentu ALICE urýchlili jadrá atómov na rýchlosť blízku rýchlosti svetla a nechali ich čelne naraziť. Namiesto očakávaného ťažkého olova však použili jadrá kyslíka-16 a neónu-20.

Jadrá ako bowlingové kolky

Vytvorené kvapôčky kvarkovo-gluónovej plazmy sú mikroskopické a prežijú len nepatrný zlomok sekundy, kým expandujú a premenia sa na spŕšku bežných častíc. Priame pozorovanie plazmy je preto nemožné, no detektory v CERN-e dokážu precízne zaznamenať dráhy a vlastnosti unikajúcich častíc.

Ukázalo sa, že pohybové vzorce týchto vyvrhnutých častíc v sebe nesú presný odtlačok pôvodného geometrického tvaru zrážajúcich sa jadier. Kolízie dvoch sférických jadier kyslíka vytvorili symetrický zaoblený vzor, no pri zapojení neónu vznikol nezameniteľný profil pripomínajúci bowlingovú kolku.

Fyzici tento princíp prirovnávajú k vrhanému tieňu. Samotný objekt síce priamo nevidíš, no jeho presný tvar dokážeš zrekonštruovať z obrysov, ktoré zanechá na detektore po prechode svetla alebo v tomto prípade po výbuchu plazmy.

Úplne nová metóda skúmania silnej interakcie

Pochopenie vnútorného usporiadania atómových jadier trápi fyzikov už viac ako 70 rokov. Výskum nadväzuje na odkaz slávneho fyzika Aageho Bohra, ktorý za práce na štruktúre jadra získal v roku 1975 Nobelovu cenu.

Tvar jadra nie je len akademickou kuriozitou, ale priamo prezrádza, ako sú v ňom usporiadané protóny a neutróny. Z toho dokážu vedci vyčítať kľúčové informácie o silnej jadrovej interakcii, jednej zo štyroch základných prírodných síl, ktorej presné správanie stále skrýva množstvo otáznikov.

Tradične sa jadrá skúmali pri nízkych energiách, napríklad meraním ich vibrácií a rotácií. Tím pod vedením docenta You Zhoua však celú stratégiu otočil naruby. Namiesto opatrného sondovania jadrá rozbíjajú pri najvyšších možných energiách a ich anatómiu čítajú z trosiek.

Hľadanie hraníc miniatúrneho vesmíru

Zistenie, že kvarkovo-gluónová plazma dokáže vzniknúť aj pri kolíziách tak malých systémov, otvára dvere k úplne novým experimentom. Výskumníci chcú zistiť, kde presne leží absolútny limit veľkosti potrebnej na vytvorenie tohto stavu hmoty.

V ďalšej fáze plánuje tím v CERN-e použiť ešte ľahšie prvky, pričom hlavným kandidátom je hélium-4. Ak sa potvrdí, že plazmu dokážu vygenerovať aj takéto miniatúrne jadrá, fyzika získa univerzálny nástroj na mapovanie štruktúry nestabilných izotopov.

Tento prelomový prístup elegantne prepája štúdium subjadrovej fyziky s kozmológiou. Jediný experiment tak vedcom pomáha pochopiť nielen to, čo drží pokope atómy v našich telách, ale aj to, čo sa dialo na samom počiatku času.

Čítajte viac z kategórie: Novinky