Aká horúca bola kozmická „prvotná polievka“, z ktorej vznikla hmota a raz aj všetko organické – a tým aj naše telá? Fyzici dokázali zmerať teploty kvarkovo-gluónovej plazmy!

Kozmos – to bol doslova pekelne horúci začiatok:

Bezprostredne po Veľkom tresku bol náš vesmír nepredstaviteľne horúci a nesmierne energetický. V prvých zlomkoch jeho prvej sekundy nemohli existovať ani atómy, ani jadrové stavebné bloky, ani žiadne iné zložené elementárne častice. Namiesto toho bol vesmír naplnený kvarkovo-gluónovou plazmou – supratekutou zmesou základných stavebných blokov hmoty a sprostredkujúcich častíc silnej jadrovej interakcie. Až keď sa vesmír ďalej ochladzoval, z tejto zmesi sa objavili prvé protóny, neutróny a ďalšie častice.

Milióntiny sekundy po Veľkom tresku bol vesmír naplnený plazmou voľných kvarkov a gluónov. Fyzici teraz pomocou amerického urýchľovača častíc zmerali, aká horúca bola táto kozmická „prvotná polievka“ v rôznych časoch.

Podľa ich zistení v ranej fáze tejto plazmy prevládali teploty 3,3 bilióna stupňov, ktoré počas prechodu na prvé atómové jadrá klesli na približne dva bilióny stupňov.

To poskytuje dôležité informácie o tom, čo sa stalo v úplne prvých okamihoch vesmíru.

Kozmická prvotná polievka v urýchľovači

Ale aká horúca bola táto prvotná polievka častíc?

„Teplota kvark-gluónovej plazmy je najdôležitejším termodynamickým parametrom, ktorý potrebujeme na charakterizáciu vlastností tohto extrémneho stavu hmoty,“ vysvetľuje Zaochen Ye, fyzik zo spolupráce STAR v Brookhavenskom národnom laboratóriu v USA.

Ako však zmerať takýto extrémny stav? Ani v jadrách hviezd nie sú dosiahnuté podmienky, ktoré panovali bezprostredne po Veľkom tresku.

Riešenie spočíva v urýchľovačoch častíc, ako je LHC v CERN alebo Relativistický urýchľovač ťažkých iónov (RHIC) v Brookhavene.

Pri zrážkach ťažkých atómových jadier zrýchlených takmer na rýchlosť svetla v týchto urýchľovačoch sa na zlomky sekundy uvoľňujú podobne vysoké hladiny energie, aké sa uvoľňovali bezprostredne po Veľkom tresku – ale v oveľa menšom priestore. „Kvark-gluónová plazma je najteplejšia hmota, akú dokážeme na Zemi vytvoriť,“ povedal Ye.

Riešenie spočíva v urýchľovačoch častíc, ako je LHC v CERN alebo Relativistický urýchľovač ťažkých iónov (RHIC) v Brookhavene. Fyzici z kolaborácie STAR teraz použili zrážky jadier zlata v RHIC na meranie teploty kvarkovo-gluónovej plazmy v dvoch rôznych štádiách. Analyzovali údaje zo zrážok pri energiách 27 a 54,5 gigaelektrónvoltov.

Elektrónovo-pozitrónové páry fungujú ako „teplomer“

Fyzici v detektore STAR analyzovali najmä energiu a trajektórie tzv. dielektrónov – párov elektrónov a ich antičastíc, pozitrónov. „V raných fázach kvark-gluónovej plazmy vznikajú takéto dielektróny primárne anihiláciou kvarkov a ich antikvarkov,“ vysvetľuje výskumný tím. Počas fázového prechodu do prvých stavebných blokov jadra vznikajú ďalšie elektrón-pozitrónové páry rozpadom prvých kompozitných častíc.

Kľúčové je, že tieto elektrón-pozitrónové páry sú ideálnym „teplomerom“ pre kvark-gluónovú plazmu, ako vysvetľuje tím. Na rozdiel od fotónov, ktoré sa tiež uvoľňujú, dielektróny nie sú unášané expanziou ohnivej gule pri zrážke a nie je ovplyvnené ich energetické spektrum.

Namiesto toho tieto páry častíc vykazujú takzvanú „invariantnú hmotnosť“, ktorá je voči takýmto účinkom imúnna. 

„To umožňuje nefalšované meranie teploty kvark-gluónovej plazmy v rôznych štádiách jej vývoja,“ vysvetľujú fyzici.