Nesnesitelná lehkost těžkých iontů

Před nedávnem mě oslovil bývalý vedoucí, zda-li bych něco veřejně nepřednesl v rámci popularizační platformy Science to Go. Dohodli jsme se, že udělám přehledovou přednášku o našem oboru - fyzice těžkých iontů. Konkrétně té, které se věnujeme na experimentu ATLAS. Její zkrácenou verzi, de facto leitmotiv, Vám předkládám v rámci tohoto článku. Jelikož se má jednat opravdu o přehledovou přednášku pro širokou veřejnost, projdeme téma skrze otázky - co, kdo, jak a proč?

Typickým těžkým iontem v našem oboru jsou jádra atomu olova 208 skládající se z 82 protonů a 126 neutronů. Mimochodem, tvrzení, že jádro obsahuje 82 protonů, je shodné s tvrzením, že se jedná o jádro olova. Proton má kladný elektrický náboj +1, celé jádro tedy pak má náboj +82. Jak známo, kladný a záporný náboj se k sobě přitahují. Proto v přírodě nepozorujeme holá jádra, ale jádra obklopená negativně nabitými elektrony. Konkrétně jádro olova obklopuje elektronů 82. Atom jako celek, čímž se míní jádro a elektronový obal, je pak elektricky neutrální. A právě to, jakým způsobem je poskládáno oněch 82 elektronů, určuje chemické vlastnosti prvku. To je ono olovo v makrosvětě, v našem světě. Naopak počet neutronů v jádře neovlivňuje chemické chování prvku, protože neurčuje, jak bude vypadat oblak elektronů obalující jádro. V přírodě existují stabilní jádra olova tvořená 122, 124, 125 i 126 neutrony a ještě víc nestabilních variant s jinými počty neutronů. Všem variantám daného chemického prvku, což určuje onen přesně daný počet protonů/elektronů - říkáme izotopy. Většinou, když se setkáme s nějakým prvkem, ať už je to olovo, uran, nebo třeba obyčejný uhlík či kyslík, jedná se spíš o směs jejich izotopů než o jeden konkrétní. Jinak neutron si můžeme představit jako trošičku těžší proton, který ale nemá elektrický náboj. Taková představa je i vědecky velmi užitečná, proto souhrnně nazýváme protony a neutrony nukleony.

Slibuji, že žádné další pojmy než nukleon a izotop si už nebudete muset zapamatovat. A proč zrovna tyhle dva? Protože nyní můžu konečně vysvětlit, proč srážíme olovo 208. Je to proto, že izotop olova 208 je jádro s nejvyšším počtem nukleonů, které je ještě stabilní. Kromě tohoto izotopu se typicky ještě provádí srážkové experimenty s jádry zlata či xenonu a všech tří jmenovaných jader s terčíkem nebo něčím menším - typicky protonem, ale do toho už nebudeme zabíhat. To bychom ztratili širší perspektivu. Podstatné je, že jsme v této části propojili definici olova v makrosvětě - dané chemické chování a definici (jádra) olova v mikrosvětě - 82 protonů a variabilní počet neutronů. Také jsme si připomněli trojici částic - elektron, neutron a proton - které lidstvu, spolu s fotonem, stačily k vysvětlení všech pozorovaných jevů ještě do 30. let 20. století.

J. J. Thompson v roce 1897 objevil první elementární částici, elektron. Trvalo více než celé jedno století, do roku 2012, než experimenty ATLAS a CMS v Evropské organizaci pro jaderný výzkum (CERN) objevili tu poslední hledanou, Higgsův boson. Jednalo se o postupné budování a ověřování modelu mikrosvěta, který je vnitřně konzistentní a dle současných poznatků není v rozporu s žádným pozorováním světa okolo nás.

Právě CERN, stejně jako jeho partneři na dalších kontinentech, zmiňme třeba věhlasnou Brookhaven National Lab (BNL), se kromě srážení protonů věnuje i srážení těžkých iontů. Urychlování protonů a jader prvků si je v principu velmi podobné. Výhodou experimentů s těžký ionty je, že se jedná o větší systémy. Konkrétně 208× větší, což přináší kolektivní chování po srážce.

Těžkoiontová fyzika se tedy obecně dělá tam, kde se sráží protony a naopak. Byť např. experiment ALICE v rámci CERN se přímo specializuje na fyziku těžkých iontů, kdežto experimenty ATLAS a CMS jsou obecněji zaměřené. Navíc lze elegantně porovnávat výsledek ze srážek těžkých iontů a protonů, protože vliv samotného detektoru na měření se do velké míry vyruší oproti situaci, kdybychom protonové srážky a těžkojaderné měřili na odlišných zařízeních. Konkrétnímu zaměření experimentu pak odpovídají vlastnosti detektorů. Jeden lépe měří dráhy částic, druhý jejich energie, třetí zvládne větší tok částic. A všechny se musí vejít do předem daného rozpočtového rámce.

Vraťme se na pomyslný začátek k protonům v jádře a elektronům okolo něj. Atomy jsou neutrální. Ale pokud šikovně „očešeme“ elektrony z obalu jádra a zabráníme tomu, aby se na jádro znovu nabalovaly (proto urychlování musí probíhat ve vakuu), můžeme jádra urychlovat skrze elektromagnetické působení. Když umístíme v prostoru záporně nabitý plech, kladně nabitá jádra k němu poletí, že? Jenže když se jádro dotkne plechu, obalí se zase elektrony a urychlování skončí. Proto při přiblížení jader musíme záporný náboj odstínit. Vlastní setrvačností jádro poletí dál jako když přestanete stát na plynovém pedálu. A když jádro plech mine, změníme původně záporný náboj na kladný. Ten ale jádro bude odpuzovat, čím mu přidá další zrychlení… a tedy znovu šlapeme na plynový pedál.

Načrtnutý princip bychom měli. Přičtěte k němu mistrovství geniálních inženýrů, protože se bavíme o urychlování na rychlosti blízké rychlosti světla za velmi vysokých energií. Tak vysokých, že je třeba brát v úvahu jevy popisované teorií relativity. Pro představu, jádra umíme urychlit tak, že energie jejich pohybu je víc něž tisíckrát vyšší než kdybychom tato jádra proměnili v čistou energii. Možná také víte, že při vysokých rychlostech dochází ve směru pohybu ke zkracování délek objektů, kontrakci. V našem případě není vůbec špatné popisovat srážku těžkých iontů ne jako srážku koulí, ale dvojice palačinek! Simulaci těžkoiontové srážky od palačinek, přes kvark-gluonové plasma (spojitá oblast, povíme si o ní níže) po výsledný náhodný oblak všemožných částic si můžete prohlídnout na přiloženém videu díky práci vědců z Duke University:

U popisu přípravy srážky částic si nemůžu odpustit etymologickou poznámku, pokud vás zajímá jen fyzika, můžete tento odstavec přeskočit. Nejspíš víte, že zařízení, které urychluje elementární částice, se nazývá urychlovač. Bohužel v češtině se slovo urychlovač využívá k překladu anglického accelerator, stejně jako pro překlad slova collider. Urychlovač „typu accelerator“ potkáte běžně v každé nemocnici, kde slouží jako zdroje částic pro neinvazivní screeningové metody či naopak k ozařování nádorů. Naopak collider potkáte nejspíš jen ve výzkumných zařízeních. V češtině by se asi dalo říct srážeč. A o to mně a mým kolegům právě jde! Ne o samotné urychlení, ale o srážku. Urychlení určuje, jak bude daná srážka vypadat. Ale není-li srážka, není experiment. Třeba Large hadron colllider se překládá oficiálně jako Velký hadronový urychlovač, což úplně zamlžuje podstatu toho, že nás zajímá srážení. Možná by bylo záhodno se inspirovat ve slovinštině a přebrat terminologii z nám blízkého jihoslovanského jazyka. Tam se totiž Large hadron collider překládá jako Veliki hadronski trkalnik. Trkalnik. Trkalnik trká jako koza. To je správně. A současně, trkalnik není urychlovač! Geniální! Anglickou větu Large hadron collider is the largest accelerator complex v češtině znějící Velký hadronový urychlovač je největší urychlovačový komplex pak přeložíme jako Veliki hadronski trkalnik je največji pospeševalni kompleks. Heuréka! Urychlovač je pospeševalnik. Pomáhá totiž částicím pospíchat… a nám v konečném důsledku poznávat realitu.

Současná fyzika zná 17 elementárních částic. Tedy částic, které považuje v rámci současného stupně poznání za dále nedělitelné. Dokonce tvrdíme, že nemají vnitřní strukturu. Jedná se o ty nejzákladnější představitelné stavební kameny vesmíru. Jednou takovou je výše zmíněný elektron či foton. Ale ne třeba proton a neutron. Elektron je elementární částicí, s kterou se setkáváme v každodenním životě. Specificky v našem digitálně-elektrifikovaném životě. Je tomu proto, že je oproti ostatním elementárním částicím velmi lehký, současně výrazně interaguje se světem (zase onen náboj!) a v neposlední řadě dokáže existovat samostatně - o tom se zmíníme ještě později.

Jak víme, že elementárních částic je aspoň 17? Z velké míry díky srážkovým experimentům. Říkal jsem, že řada částic je oproti elektronu velmi těžká. Takové částice se extrémně rychle rozpadají/mění na lehčí částice, zpravidla mnohem rychleji než mrkneme. Přesto se k nim můžeme dostat, pokud si je znovu vytvoříme! Slavný Einsteinův vztah E = mc^2 představuje dvojici naprosto fantastických tvrzení a) hmota a energie jakéhokoliv druhu je fundamentálně to samé b) převodní vztah mezi energií a hmotou závisí na rychlosti světla na druhou. Z toho se tají dech, když to člověk řekne nahlas. Když se ale budeme držet při zemi, co to ještě znamená? Že když na jedno místo dodáme dost energie, můžeme vytvořit hmotu. Můžeme vytvořit i onu hmotu, která se rychle rozpadá (a tudíž nám nezbyla ke zkoumání)!

A přesně takhle CERN objevil tzv. intermediální bosony W+, W- a Z, zkrátka trojici elementárních částic. Stephen Weinberg a jeho současníci ukázali, že jisté aspekty chování světa je možné vysvětlit existencí těchto částic. Dodali i popis podezřelých - jejich hmotnost, náboj a spin. Spin je specifická vlastnost objektů mikrosvěta, někdy se na ni koukneme třeba v detailu. Nyní není na škodu si představit klidně výšku, hmotnost a povahu člověka. A páni detektivové v CERN nastavili urychlovač na energii srážek odpovídající hmotnosti hledaných bosonů. Získali řadu podezřelých a zkontrolovali, jestli i povaha a výška odpovídá. A odpovídaly. A stejně tak v roce 2012 odpovídal popisu Higgsův boson. Další elementární částice nalezená v CERN.

V těžkoiontové fyzice se ale nesnažíme ve srážkách hledat nové částice. Spíš poznat lépe ty už objevené a síly, které je pojí. Zmínil jsem, že některé elementární částice jsou stabilní, ale přesto je nepozorujeme. Na rozdíl od elektronu totiž nemůžou existovat samy o sobě. Říká se jim kvarky. Konkrétně trojice kvarků u, u a d tvoří proton. A náš starý známý neutron tvoří kvarky d, d, u. Jenže jak víme, protony a neutrony jsou to, s čím interagujeme v našem světě. Ne s kvarky.

Když si vezmeme elektrony, ty jsou taky vázané. V elektronovém obalu. Přesto je umíme z atomu vyrazit, byť časem se zase zachytí v obalu. Problém s kvarky je, že síla, která je k sobě táhne je extrémně silná v porovnání s elektromagnetickou přitažlivou silou táhnoucí elektrony k jádru. Dokonce je tak silná, že i když jsou kvarky zabalené v protonech a neutronech, tak zbytkové působení této síly drží pohromadě i atomové jádro. Proto se jádro nerozletí, i když se protony elektromagneticky odpuzují. Je tak silná, že i kdyby kvark vylétl z protonu, energie přitahující zbytek protonu a kvark k sobě vytvoří další nové kvarky (a antikvarky) a na konci budeme mít zase kvarky hezky zabalené do protonů, neutronů a jejich exotičtějších bratříčků - souhrnně řečeno - hadronů. To není nijak šokující chování. Nakonec, to je zas onen Einstein, energie (vazby) měnící se na hmotu. Mimochodem, z výše nastíněných důvodů se oné síle říká silná. A patří mezi čtyři základní síly řídící náš vesmír. Možná pět, pokud počítáte lásku.

Přesto lze kvarky studovat navzdory enormní síle silné interakce. Při velmi vysokých energiích silná interakce slábne. Silnou interakci si můžete představit pomocí pružiny. Čím více táhnete, tím víc se brání. Ale naopak pokud natáhnete, povolí. Za vysokých hustot a teplot nejsou pružinky vůbec napnuté a kvarky jsou nyní konečně volné. V přeneseném termodynamickém smyslu lze hovořit o změně skupenství (fázovém přechodu) od pevné látky k tekutině. Neboli „vaříme-li“ nukleony na dost vysokou teplotu, rozpustí se na kvarky a gluony (glue - lepit, lepidlo) - zde si všimněte krásného anglického názvu částic, které drží kvarky u sebe. Gluony jsou ony pomyslné pružinky. Dokonce je tak fyzici často i kreslí.

Nukleony můžeme rozpustit právě během srážky těžkých iontů za vysokých energií. Narozdíl od srážek protonů máme ve srážkách jader nukleonů hodně, uvolněné kvarky a gluony pak vytvoří celou oblast vyplněnou látkou (vzpomeňte si na simulaci výše) odborně nazývanou kvark-gluonové plasma. Někdy také kvark-gluonová polévka, proto jsem výše mluvil o „vaření“ nukleonů. Kvark-gluonové plasma nám dává jedinečnou možnost studovat volné kvarky, základní stavební kameny hmoty okolo nás. Současně je kvark-gluonové plasma toutéž hmotou, která vyplňovala náš vesmír na jeho samotném počátku. A jak se vesmír rozpínal, energie v něm řídla - chladl. A jak chladl, silná síla byla silnější a silnější a kvarky uvěznila uvnitř hadronů. Ve srážkách těžkých jader se tedy vracíme do doby před více než 13,79 miliardy let. Na samotný počátek všeho. Do doby minimálně 100 milionů let před tím než vznikly první hvězdy, ony pomníky věčnosti na noční obloze. Právě tvorba a zkoumání vlastností kvark-gluonového plasmatu je hlavním, nikoliv však výlučným cílem těžkoiontové fyziky. V rukou máme situaci před srážkou (jádra letící proti sobě) a po srážce (signál v detektoru od vzniklých částic) a naší detektivní prací je porozumět tomu, jaký vývoj probíhá mezi těmito dvěma body v čase. Opět se odkáži na simulaci z Duke University, která je věrným vědeckým modelem jedné takové srážky.

Pro mě osobně je těžkoiontová fyzika nejúžasnější tím, že přináší poznatky od těch nejmenších škál, kde se setkáváme s bodovými částicemi, až po ty největší, vesmírné. To vše je možné jen díky úsilí těch nejšikovnějších inženýrů, ajťáků a fyziků. Díky neustálému rozvoji poznatků a technologií. A nic z toho by nemohlo být uskutečněno nebýt podpory veřejnosti… nejen, že se kvark-gluonová polévka změnila v protony a neutrony, ale ty vytvořily jádra. A jádra zase atomy. A atomy molekuly, to už je chemie. A molekuly různé aminokyseliny, proteiny, buňky, to už je biologie. A jak se život vyvíjel, vznikl člověk, který se kolektivním úsilím nás všech tázavě obrací zpátky k počátku všeho. Jakoby nakonec vesmír zkoumal sám sebe. Tohle je pro mě těžkoiontová fyzika.