Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 12 – vyšlo 22. března, ročník 2 (2004)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Kvark gluonové plazma, příběh pokračuje

Václav Kaizr

Dosavadní poznatky o stavbě hmoty hovoří o těchto elementárních částicích: leptonech, kvarcích, intermediálních částicích a Higgsových částicích. Lidé jsou ale tvorové zvídaví a proto experimenty pokračují dále. Jejich cílem je hlouběji poznat strukturu hmoty a případně nalézt ještě elementárnější částice. S čím si dnes můžeme být prakticky jistí je existence kvarků. Budeme-li předpokládat, že vesmír byl na počátku ve stavu vysokých teplot a hustot, pak také muselo existovat kvark-gluonové plazma, které bylo pravděpodobně experimentálně objeveno v roce 2000. Ale jak je to doopravdy se dozvíte v tomto článku.

Kvarky - částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky down a up, druhou kvarky strange a charm a třetí kvarky beauty a truth. Více informací naleznete v sekci Elementární částice.

Gluony - intermediální částice silné interakce. Působí jen na hadrony. Jde o sílu, která spojuje kvarky v mezony a baryony. Sílu, která udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a sílu, způsobující některé rychlé rozpady elementárních částic. Silná interakce má krátký dosah srovnatelný s rozměry atomového jádra. Známe celkem 8 gluonů.

QGP - kvark-gluonové plazma. Podaří-li se nám "dostat" kvarky na vzdálenosti menší než 10⁻¹⁵ m, začnou se kvarky a gluony chovat jako volné (nevázané) částice. Tím vznikne zcela zvláštní stav hmoty nazývaný kvark-gluonové plazma.

Historie experimentů

První experimenty, které měly potvrdit existenci QGP se začaly provádět v 80. letech v Berkeley v laboratoři LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory) v USA. V letech 1994 až 2000 došlo k přemístění experimentů do laboratoře CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropská rada pro jaderný výzkum). Svazek vysoce urychlených (3,5 TeV) jader olova Pb-82 v urychlovači SPS (Super Proton Synchrotron) byl nastřelen na statický terčík, taktéž z olova. V průběhu šestiletého výzkumu bylo uskutečněno 7 experimentů (NA44, NA45/CERES, NA49, NA50, NA52, NA57/WA97 a WA98), na kterých se podílelo přes 500 vědců z více jak dvaceti zemí světa. Experimenty byly také prováděny s atomy zlata nastřelenými na olověný terčík. Objev nové formy hmoty, kvark-gluonového plazmatu, byl oznámen 10. února 2000 na slavnostním zasedání komplexu laboratoří CERN. V roce 2000 se experimenty stěhují opět do USA, do Brookhavenu (Long Island, USA) na výkonnější zařízení RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider). Dosažitelné energie budou desetkrát vyšší než v laboratoři CERN a lze tak očekávat systematický průzkum tohoto exotického stavu hmoty. Experimenty jsou prováděny s izotopem zlata Au-79. Do roku 2007 by měl být dostavěn urychlovač LHC (Large Hadron Collider) v laboratoři CERN a experimenty se poté opět vrátí k nám, do Evropy. Nezanedbatelnou součástí každého velkého experimentu je dnes teoretické a numerické zázemí. Simulace kvark-gluonového plazmatu je prováděna pomocí rozsáhlých paralelních výpočtů skupiny MILC (MIMD Lattice Computation), do které patří: University of California at Santa Barbara, University of Arizona, University of Colorado, Florida State University, Indiana University, University of Pacific, University of Utah, Washington University a společnost NORDITA.

srážka

Typický obrázek trajektorií nabitých částic, vznikajících při srážce v urychlovači,
zaznamenaných jedním z detektorů RHIC.

Metody detekce v evropském komplexu laboratoří CERN

Sledování částic J/ψ. Při vysokých energiích se objevují při srážce hadronů částice J/ψ. Po vytvoření kvark-gluonového plazmatu by se měl teoreticky jejich počet výrazně snížit, právě tento jev byl velmi dobře pozorovatelný.
Sledování podivných kvarků. Při srážkách hadronů vzniká 20 % podivných (s) kvarků. V kvark-gluonovém plazmatu by mělo vznikat 40 % (s) kvarků. V experimentu byly pozorovány kaony (mezony s podivným kvarkem) a baryony Ω⁻ (sss). Bylo zjištěno patnáctinásobné zvýšení počtu částic Ω⁻.
Sledování fotonů z QGP. Při vyšších energiích bylo pozorováno zvětšení počtu fotonů. V experimentu je však značný šum z jiných zářivých procesů, sledování fotonů není příliš průkazné.
Sledování vektorových mezonů (ρ, φ). Prošla-li látka kvark-gluonovou fází, probíhá rozpad těchto částic na leptonové páry jiným způsobem než obvykle.
Sledování rozložení hybnosti produktů. Zpětným propočtem lze zjistit, jak horká byla oblast ze které částice vylétly. Vychází 100 MeV. Hybnosti částic "zamrzly" v okamžiku po hadronizaci a nesou informaci o této fázi.
Sledování skladby různých typů produktů. Podle množství různých produktů experimentu lze odhadnout teplotu při hadronizaci. Vychází 180 MeV, což je v souladu s kritickou teplotou nutnou pro dosažení kvark-gluonové fáze.
Bose-Einsteinova interferometrie (Brown, Twiss). Z vyhledávání párů částic je touto metodou možné odhadnout rozměry oblasti, ve které částice vznikly. Ze známé teploty lze dopočíst hustotu energie, která vychází dvakrát až čtyřikrát vyšší než kritická hustota nutná pro vznik kvark-gluonové fáze.

Americký urychlovač RHIC

RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) je urychlovač provozovaný Brookhavenskou národní laboratoří. Je umístěn na Long Island ve státě New York. Vastní provoz celého komplexu se datuje od roku 2000 a v současné době je jedním z největších zařízení tohoto druhu na světě, které využívají vědci z mnoha zemí.

QGP

Srážka dvou jader zlata (RHIC). Napravo video (mpeg, 5 MB)

RHIC

Půdorys urychlovače RHIC v Brookhavenu, které je v současné
době nejvýkonnějším urychlovačem pro výzkum QGP.

Tandem Van de Graff - tandemový van de Graffův generátor. Dokončen v roce 1970. Po dlouhou dobu největší zařízení tohoto typu na světě. Zařízení se skládá ze dvou 15 000 000 V generátorů dlouhých 24 metrů, spojených v koncích.

Tandem-to-Booster line (TTB) - 700 metrů dlouhý tunel a systém na transport svazku částic do boosteru. Zařízení bylo dokončeno v roce 1986. Pracoval se systémem AGS (Alternating Gradient Synchrotron).

Linear Accelerator (Linac) - přepracovaný systém z 60. let s názvem Alternating Gradient Synchroton (AGS). Je schopen urychlit 35 mA svazek protonů na energii 200 MeV. Hlavní části jsou zdroj iontů, radiofrekvenční kvadrupólové předvstřikovací zařízení a 9 akcelerátorů umístěných podél 459 stop dlouhého tunelu.

Booster Synchrotron - booster je menší než čtvrtina AGS. Jeho úkolem je předurychlit částice než vletí do AGS. Díky tomu lze urychlit i těžká jádra.

Alternating Gradient Synchrotron (AGS) - toto zařízení je v provozu od roku 1960. Díky němu byly získány tři Nobelovy ceny. Magnetické pole, které drží pohromadě svazek částic, vytváří 240 magnetů. Kapacita je 25 triliónů částic na každý pulz. Toto zařízení využívá 850 vědců ze 180 institucí.

ATR (AGS-To-RHIC). Když paprsek dosáhne maximální rychlost je v ATR rozbočován do jednoho a do druhého tunelu RHIC.

Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - je to téměř 4 km dlouhý tunel se šesti místy, ve kterých dochází ke křížení paprsků. V současné době jsou po obvodu umístěna 4 experimentální zařízení (PHOBOS, STAR, PHENIX, BRAHMS).

Nově budovaný urychlovač LHC v komplexu CERN

Výstavba urychlovače LHC v komplexu laboratorních zařízení CERN je jednou z prioritních otázek fyziky v Evropě. Na posledním zasedání v CERN byl potvrzen termín dostavby LHC v roce 2007. Bylo také konstatováno, že první fáze příprav proběhla podle plánu. Začátkem tohoto roku 2004 došlo k instalaci prvního magnetu. V první fázi proběhnou na LHC čtyři stěžejní experimenty: ATLAS, CMS, ALICE a LHCb.

LHC

Letecký snímek oblasti s urychlovačem LHC, který je v komplexu laboratoří CERN na švýcarsko-francouzské hranici. Povrchové budovy urychlovače jsou značeny písmeny P (Point). P1 je ve Švýcarsku, ostatní ve Francii.

Parametry LHC
Kolizní hybnost	7 TeV/c
Hybnost při vstřiku	450 GeV/c
Obvod zařízení	26 660 m
Dipólové pole při 450 GeV	0,535 T
Dipólové pole při 7 TeV	8,33 T

Současnost

V obou laboratořích v současné době probíhají intenzivní analýzy naměřených dat. Vzhledem k objemu získaných informací se jedná o práci na několik příštích let.

V době od 11.-17. ledna 2004 se v Oaklandu konala konference s názvem Quark Matter 2004. Zúčastnilo se jí více než 650 vědců z celého světa. Nejednalo se ani tak o otázkách, zda-li bylo dosaženo kvark-gluonového plazmatu, ale co a jakým způsobem vlastně bylo naměřeno. Nové trendy a závěry, které vzbudily nejvíce debat:

Více důkazů o tom, že některé výtrysky částic, vznikající při Au-Au srážce, se pohybují v podélném směru.
V současné době jsou vědci schopni určit geometrickou konfiguraci oblasti srážky.
Možná byla detekována částice složená z pěti kvarků.
Měření částic obsahujících (c) a (b) kvarky.
Předběžné ohlášení detekce J/ψ při srážce deuteria se zlatem.
Poprvé byl detekován foton přímo z kolizní oblasti.
Důkaz o tom, že mezony a baryony se vzhledem k různé kvarkové struktuře pohybují po srážce odlišně.

Budoucnost

Až bude dostavěn LHC urychlovač, bude zde možné provádět kolize dvou protonových svazků o energiích 7 TeV nebo dvou svazků olova o energii 1,25 TeV. Což je přibližně třicetkrát vyšší energie než jaké se dosáhlo v RHIC. Spuštění provozu LHC se plánuje na rok 2007. Spojením zařízení LHC a LEP lze dosáhnout srážek protonů a elektronů o energii 1,5 TeV, to je třikrát vyšší energie než v současném projektu HERA v DESY laboratořích (Německo).

COLOR GLASS CONDENSATE (CGC) - barevná skla. CGC je označení pro extrémní stav hmoty, která byla vytvořena na RHIC při současných experimentech. COLOR znamená barevný náboj kvarků a gluonů, GLASS neboli sklo vystihuje pevné chování v krátkých časových škálách a kapalné v dlouhých časových škálách, CONDENSATE připomíná vysokou hustotu gluonů. První výsledky byly prezentovány jako předběžné závěry na konferenci, která se konala v lednu v kalifornském Oaklandu. Podstata CGC je následující: při experimentech jsou například dvě jádra zlata urychlena proti sobě na rychlost blízkou rychlosti světla a tudíž z Einsteinovy teorie dochází ke kontrakci délky ve směru pohybu. Z hlediska souřadnicové soustavy jednoho jádra je druhé vnímáno jako jakási "stěna", ve které je díky kontrakci vysoká hustota gluonů. QGP vznikne po srážce dvou CGC. Vědci na experimentu BRAHMS pozorovali více částic v příčném směru srážky než bylo obvyklé. To bylo potvrzeno i na druhém experimentálním zařízení PHOBOS. A právě částice s vysokou hybností jsou podle mluvčího J. J. Gaardhoje důsledkem existence fáze CGC. Podle L. McLerran mohou CGC uspokojivě vysvětlit řadu jevů týkajících se vysokoenergetických experimentů. Například mechanismus, jakým dochází k produkci částic při nukleárních srážkách, lze vysvětlit jako distribuci gluonů uvnitř nukleonů.

Odkazy