Vědci z RHIC objevili neočekávaný pokles ve vzniku jaderné hmoty po Velkém třesku

Vědci z Ohio State University a dalších institucí se pokusili ve zrychleném čase a v miniaturním měřítku zopakovat podmínky, které vládly vesmíru bezprostředně po Velkém třesku. Místo kosmických rozměrů ale použili srážky atomů zlata v Relativistickém těžkém iontovém urychlovači (RHIC) v Brookhaven National Laboratory ve státě New York. Výsledky experimentu publikoval 22. září časopis Physical Review Letters a podle autorů přinášejí neočekávané zjištění, které by mohlo pomoci odhalit, jak přesně hmota ve vesmíru vznikala.

Princip experimentu spočívá v tom, že se jádra zlata urychlí téměř na rychlost světla a nechají se čelně srazit. Při takových srážkách na zlomek sekundy vznikne extrémně horké a husté prostředí, které se podobá stavu vesmíru jen mikrosekundy po jeho vzniku. V té době neexistovaly žádné protony ani neutrony, jen takzvaná kvark-gluonová plazma – horká „polévka“ základních částic, z níž se teprve postupným ochlazováním a kondenzací začala formovat běžná jaderná hmota, jak ji známe dnes.

Hlavním cílem výzkumu bylo pochopit právě tento proces přeměny – jak se kvarky a gluony postupně spojovaly do protonů a neutronů. Fyzikové k tomu analyzovali vzorce rozptylu částic, které vznikají po srážkách zlatých atomů. Očekávali, že velikost náhodných odchylek v těchto vzorcích se bude měnit plynule a postupně, úměrně s měnícími se podmínkami srážek.

Místo toho ale tým zaznamenal neobvyklý jev: variace nejprve klesly a teprve poté opět vzrostly. Tento nečekaný pokles, následovaný opětovným nárůstem, podle vědců může signalizovat existenci takzvaného kritického bodu – specifického stavu, při kterém dochází k zásadní změně charakteru fázového přechodu mezi kvark-gluonovou plazmou a běžnou jadernou hmotou.

„Byl to pro nás překvapivý výsledek,“ uvedl hlavní autor studie Rutik Manikandhan, postdoktorand z Ohio State University. Podle něj právě takové anomálie v datech mohou ukazovat na existenci bodu, v němž se mění povaha přechodu mezi jednotlivými formami hmoty – podobně jako voda při určitých podmínkách tlaku a teploty přechází mezi kapalným a plynným skupenstvím odlišným způsobem než za jiných okolností.

Nalezení a potvrzení kritického bodu je dlouhodobým cílem jaderné fyziky. Jeho existence by pomohla přesněji popsat fázový diagram jaderné hmoty – tedy mapu toho, jak se hmota chová při různých kombinacích teploty a hustoty. Tento diagram je klíčový nejen pro pochopení raného vesmíru, ale i pro popis extrémních objektů, jako jsou jádra neutronových hvězd, kde panují podmínky hustoty a tlaku, které nelze v žádné laboratoři na Zemi běžně vytvořit ani přímo pozorovat.

Právě srážky těžkých iontů v zařízeních, jako je RHIC, patří mezi mála dostupných způsobů, jak tyto extrémní stavy hmoty alespoň na zlomek okamžiku experimentálně simulovat. Díky tomu mohou fyzikové testovat teoretické modely popisující chování hmoty za podmínek, které jinak existují jen uvnitř neutronových hvězd nebo existovaly krátce po vzniku vesmíru.

Autoři studie zdůrazňují, že pozorovaný pokles a následný nárůst variací je zatím třeba potvrdit dalšími měřeními a nezávislými analýzami. Jde o první náznak, nikoli o definitivní důkaz existence kritického bodu. Přesto podle vědců jde o významný krok, protože dosavadní experimenty podobné anomálie nezaznamenaly nebo je nebyly schopny odlišit od statistického šumu.

Výzkum na RHIC pokračuje a tým plánuje provést další série srážek s cílem ověřit, zda se pozorovaný vzorec objeví i při odlišných energiích a podmínkách srážek. Pokud se zjištění potvrdí, mohlo by jít o jeden z nejvýznamnějších příspěvků k pochopení toho, jak se z chaotické prvotní plazmy postupně zrodila hmota, z níž jsou dnes složeny atomy, hvězdy i samotné lidské tělo.