Co je kvark-gluonové plazma: Nejpodivnější stav hmoty, který existoval jen miliontinu sekundy

Hmota, jak ji známe – a jak neexistovala

V běžném světě jsou kvarky uvězněny uvnitř protonů a neutronů. Silná jaderná interakce, popsaná teorií kvantové chromodynamiky (QCD), je drží pevně svázané prostřednictvím částic zvaných gluony.

Za extrémních teplot a hustot však dochází k tzv. dekonfinementu: vazba mezi kvarky se uvolní a vznikne volně interagující směs kvarků a gluonů.

Tento stav nazýváme kvark-gluonové plazma (QGP).

Nejde o plazma ve smyslu ionizovaného plynu, jaký známe ze Slunce. Jde o stav, kde se samotná struktura hadronů rozpadá.

Jak víme, že existovalo

Kosmologické modely předpovídají, že při teplotách nad zhruba 2 biliony kelvinů nemohou protony a neutrony existovat jako stabilní objekty.

Takové podmínky panovaly přibližně do 10⁻⁶ sekundy po Velkém třesku.

Laboratorní potvrzení přichází z experimentů v CERN a v americkém RHIC. Srážky těžkých iontů v Large Hadron Collider na okamžik vytvářejí mikroskopické kapky QGP.

Z měření rozložení částic, jejich energie a kolektivních toků lze rekonstruovat vlastnosti tohoto extrémního stavu.

Vesmír byl původně tekutý: nový experiment, který simuluje Velký třesk, to potvrzuje

Kapalina s téměř nulovým třením

Jedním z nejpřekvapivějších zjištění posledních dvou dekád je, že QGP se nechová jako řídký plyn, ale jako téměř ideální kapalina.

Její poměr viskozity k entropické hustotě se blíží teoretické dolní hranici odvozené z kvantových teorií pole.

To znamená, že částice uvnitř QGP interagují natolik silně, že se systém pohybuje kolektivně – téměř bez vnitřního odporu.

Jinými slovy: první hmota ve vesmíru byla organizovanější, než bychom čekali.

Fázový přechod: okamžik, kdy se zrodila struktura

Jak se vesmír rozpínal, teplota rychle klesala. Nastal hadronizační přechod – kvarky se znovu uzavřely do protonů a neutronů.

Tento přechod není jen kosmetickou změnou. Určil podmínky, za nichž mohly vzniknout první jádra a později atomy.

Dynamika QGP tedy ovlivnila samotnou architekturu budoucí hmoty.

Co nám QGP říká o silné interakci

Kvantová chromodynamika je matematicky extrémně náročná teorie. V běžných podmínkách je téměř nemožné spočítat její chování analyticky.

QGP poskytuje unikátní testovací pole: umožňuje studovat silnou interakci v režimu vysokých energií a hustot.

Výsledky z experimentů pomáhají zpřesňovat modely a porovnávat je s numerickými simulacemi (například lattice QCD).

Je to jediný takový stav?

Ne. Teoretické modely naznačují existenci dalších exotických fází hmoty – například při extrémních hustotách v nitru neutronových hvězd.

QGP je ale jediný takový stav, který dokážeme experimentálně vytvořit.

Stav, který trval okamžik – a určil všechno

Kvark-gluonové plazma existovalo jen miliontinu sekundy. Přesto jeho vlastnosti určily, jakým způsobem se zrodila strukturovaná hmota.

Není to exotická kuriozita.
Je to kapitola o tom, jak se z beztvaré energie stala realita.

A pokaždé, když fyzici srazí těžká jádra při téměř světelné rychlosti, znovu otevírají tuto první kapitolu vesmíru.

KONEC TEORETICKÉ FYZIKY? Umělá inteligence poprvé nahlédla DO NITRA černé díry. Vědci nevěří vlastním očím

Objekt, který není ani hvězdou, ani planetou: nejzáhadnější obyvatelé našeho vesmíru

^{Zdroj: CERN, Space.com, NASA, Science Direct, img asi generated leonardo ai}