Co se dělo v první miliardtě sekundy po velkém třesku? Vědci v CERNu napodobují tyto extrémní podmínky pomocí srážek částic v LHC. Výsledky odhalují vlastnosti prapůvodní „polévky“ kvarků a gluonů – stavebních kamenů všeho, co ve vesmíru dnes existuje.
Abychom se na ni pokusili začít hledat odpověď, musíme si představit zcela neznámý scénář: vesmír bez galaxií, bez hvězd, dokonce bez atomů. Vše, co známe, bylo stlačeno do extrémně horkého a hustého vývaru. A pak přišel velký třesk. Tento prchavý okamžik – první vteřina po velkém třesku – je (odhlédneme-li od nadbytečnosti) druhou nejúchvatnější a zároveň nejnepolapitelnější epizodou vesmírné historie.
Moderní kosmologie nám říká, že vesmír začal zhruba před 13,8 miliardami let z extrémně koncentrovaného a horkého stavu. V prvních zlomcích sekundy byly energie a hmota nerozlišitelné a základní částice, které nyní tvoří hmotu a síly, ještě nedokončily „zamrznutí“ do podoby, kterou nyní rozeznáváme. Tento prvotní okamžik je zásadní: právě v něm se rozhodovalo o pravidlech, jimiž se řídí vývoj vesmíru, od vzniku atomových jader až po velkorozměrovou architekturu galaxií.
Tyto rané okamžiky je však obtížné přímo studovat. Světlo (náš hlavní „maják“ pro pozorování vesmíru) ještě neexistovalo a tradiční astronomické metody nám tento okamžik nemohou „ukázat“. Místo toho se vědci museli spoléhat na teoretické modely, simulace a laboratorní experimenty, které se snaží rekonstruovat podmínky odpovídající těm v raném vesmíru.
A možná máme vodítko. Skupině fyziků se podařilo v laboratoři reprodukovat některé podmínky, které existovaly v prvních milisekundách vesmíru. Místem, kde se tento výkon odehrává, není astronomická observatoř, ale Velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu. Tento 27 kilometrů dlouhý urychlovač částic sráží svazky protonů a těžkých jader extrémní rychlostí, čímž vznikají obrovské energie. Díky tomu dokáže ve zlomcích sekundy vytvořit prostředí s teplotou a hustotou velmi podobnou nově se rodícímu vesmíru.
Podle výsledků publikovaných v časopise Physics Letters B autoři (všichni členové LHC) použili srážky částic uvnitř urychlovače k vytvoření a pozorování stavu hmoty známého jako kvark-gluonové plazma, tedy jakési extrémně horké a husté „polévky“, v níž jsou kvarky (základní stavební kameny protonů a neutronů) a částice zprostředkující silnou jadernou sílu (gluony) volné a nejsou uzavřeny v jednotlivých částicích.
Tento stav vědci interpretují jako analogii vesmíru mikrosekundy po velkém třesku, kdy hmota ještě nekrystalizovala do složených částic, které vidíme dnes.
Abychom si udělali představu o extrémních podmínkách tohoto plazmatu, je užitečné uvést několik čísel. Srážky těžkých iontů na urychlovači LHC dosahují teplot v řádu několika bilionů stupňů (1012 kelvinů), což je více než 100 000krát více než teplota v centru Slunce. Při těchto energiích se protony a neutrony „taví“ a uvolňují své vnitřní složky, kvarky a gluony. Teorie, která tyto interakce popisuje, kvantová chromodynamika (QCD), přesně předpovídá, že nad určitou kritickou teplotou se běžná jaderná hmota mění na toto exotické plazma.
Kvark-gluonové plazma není nová myšlenka: teoreticky bylo navrženo již v 70. letech 20. století a pevné důkazy o jeho existenci byly získány již na jiných urychlovačích, například na relativistickém urychlovači těžkých iontů (RHIC) v Brookhavenu ve Spojených státech. Přesnost, s jakou lze nyní měřit jejich vlastnosti na urychlovači LHC, je však bezprecedentní. Obří detektory, jako jsou ALICE, ATLAS a CMS, zaznamenávají miliony částic vzniklých při každé srážce, takže je možné z jejich stop rekonstruovat, jak tento malý „vesmír“ vypadal před chvílí.
Význam těchto experimentů je obrovský. Až dosud jsme teoreticky věděli, že v prvním okamžiku vesmíru existovalo plazma složené z kvarků a gluonů, ale nebylo možné přímo pozorovat jejich vlastnosti. LHC samozřejmě nemůže rekonstruovat celý prvotní vesmír, ale může vytvořit mikroskopickou bublinu se stejně extrémními fyzikálními podmínkami. Studiem toho, jak se tato „polévka“ chová a jak se ochlazuje a přeměňuje na známější částice, mohou fyzici testovat své teoretické modely na reálných datech a zúžit tak nejistotu ohledně toho, jak vypadal vesmír na subnanometrových škálách těsně po svém zrodu.
Výsledky naznačují, že prvotní plazma bylo překvapivě tekuté a „dokonalé“ z hlediska vnitřního pohonu, přičemž jeho chování se vymyká některým předchozím předpovědím. Místo aby se chovalo jako plyn sotva interagujících částic, chová se jako téměř ideální kapalina s extrémně nízkou viskozitou. Zjednodušeně řečeno: částice v této polévce se mezi sebou velmi dobře „koordinují“ a velmi účinně přenášejí tlaky a proudy. Toto zjištění zapadá do předchozích výsledků z LHC a RHIC, které již dříve poukazovaly na to, že kvark-gluonové plazma je jednou z nejdokonalejších známých kapalin v přírodě.
Jak to všechno víme, když plazma trvá méně než miliardtinu sekundy? Klíč spočívá ve stopách, které za sebou zanechává při ochlazování. Po srážce se plazma rychle rozpíná a ochlazuje a kvarky a gluony jsou opět uvězněny v protonech, neutronech a dalších částicích zvaných hadrony. Rozložení těchto částic, směry jejich výtoku a jejich energie obsahují informace o předchozím stavu. Analýzou vzorců, jako je takzvané „eliptické proudění“ (jakýsi otisk prstu, který ukazuje, jak se tekutina rozpínala), mohou fyzikové odvodit viskozitu, hustotu energie a další parametry plazmatu.
Analýza srážek také odhaluje, jakým způsobem v této extrémní fázi interagují kvarky a gluony, a poskytuje tak vodítko k tomu, jak vznikly první stabilní částice, a tím i k tomu, jak se vesmír vyvinul z tohoto chaotického stavu do relativně klidných podmínek, které umožnily vznik atomů, hvězd a galaxií. Dokonce i jemné jevy, jako je ztráta energie velmi energetických částic při jejich průchodu plazmatem (tzv. zhášení trysek), slouží jako mikroskopické sondy, které nám umožňují „snímat teplotu“ a hustotu tohoto prvotního prostředí.
Abychom lépe pochopili, co se v laboratoři znovu vytváří, je užitečné umístit toto plazma na „časovou osu“ raného vesmíru. Podle standardního kosmologického modelu proběhlo v prvních okamžicích po velkém třesku několik fází:
- Mezi 10-36 a 10-32 sekundami: hypotetická fáze zvaná kosmická inflace, v níž se vesmír extrémně rychle rozpínal. O této fázi zatím nemáme úplnou teorii, ale zanechává stopy v rozložení galaxií a v kosmickém mikrovlnném pozadí.
- Přibližně 10-12 sekund: základní síly se začínají rozlišovat tak, jak je známe dnes (elektromagnetické, slabé jaderné, silné jaderné a gravitační). Částice získávají hmotnost díky Higgsovu poli.
- Mezi 10-6 a 10-4 sekundami: ve vesmíru převládá plazma kvarků a gluonů. Právě tuto fázi se snaží napodobit LHC.
- Kolem 1 sekundy: neutrina se rozpojují (přestávají často interagovat s hmotou) a slabá interakce již neudržuje rovnováhu mezi protony a neutrony.
- Mezi 3 a 20 minutami: probíhá primordiální nukleosyntéza, při níž vznikají první jádra vodíku, helia a stopy lithia.
Jinými slovy, plazma kvarků a gluonů je „surovinou“, z níž vznikly první protony a neutrony, které následně daly vzniknout atomovým jádrům a mnohem později neutrálním atomům a hvězdám. Pochopení jejich vlastností není teoretickým rozmarem: je to nezbytný stavební kámen pro propojení částicové fyziky s kosmologií.
K čemu však tyto nové poznatky slouží? Víme, že vesmír se vyvíjí podle přírodních zákonů – gravitace, jaderných sil a kvantové mechaniky -, ale mnohé z těchto zákonů se plně projevují pouze za extrémních podmínek. První vteřina vesmíru je právě tou laboratoří, kde byly základní síly „nerozlišitelné“ a částice se ztělesnily ve své nejelementárnější podobě.
Pochopit tuto fázi je jako číst prolog velmi složité knihy: procesy, které zde probíhaly, určily relativní množství hmoty a antihmoty, rozložení lehkých prvků, jako je vodík a helium, a podmínky pro vznik prvních velkorozměrových struktur. Bez pochopení této první vteřiny bude mít naše vyprávění o vesmíru vždy mezeru.
Jednou z velkých záhad spojených s těmito prvními okamžiky je právě to, proč existuje něco a ne nic. Známé fyzikální zákony umožňují, že při velkém třesku vznikla hmota a antihmota v téměř identickém množství. Kdyby bylo vše dokonale symetrické, obě hmoty by anihilovaly a zůstalo by jen záření. My však pozorujeme vesmír, v němž převládá hmota. Nějaký velmi raný proces musel mírně vychýlit rovnováhu v její prospěch. Experimenty na urychlovači LHC díky podrobnému studiu interakcí kvarků a gluonů a jemnému porušení určitých symetrií poskytují nepřímé vodítko k tomu, jak mohl vzniknout malý přebytek hmoty, který dnes tvoří galaxie, planety a lidi.
Here is what happened the first second after the big bang
byu/justchillbruhh inuniverse
Kromě toho mají tyto studie ještě jeden zajímavý důsledek: testují standardní model částicové fyziky v extrémním režimu. Standardní model je teorie, která s obrovskou přesností popisuje známé částice a jejich interakce (s výjimkou gravitace). Funguje tak dobře, že pro mnoho fyziků již není výzvou jeho potvrzení, ale nalezení míst, kde již neplatí. Jakákoli odchylka mezi teoretickými předpověďmi a naměřenými vlastnostmi kvarkového a gluonového plazmatu by mohla být oknem k nové fyzice: neobjeveným částicím, dalším silám nebo souvislostem s temnou hmotou.
Souběžně s tím se kosmologie dívá na raný vesmír z jiné perspektivy. Kosmické mikrovlnné pozadí, fosilní záření vyzařované přibližně 380 000 let po velkém třesku, nám ukazuje „snímek“ vesmíru v době, kdy se formovaly první neutrální atomy. Primordiální nukleosyntéza nám naproti tomu prostřednictvím množství vodíku a helia, které dnes měříme, vypovídá o tom, co se dělo v prvních minutách. Experimenty na urychlovači LHC vyplňují mezeru před těmito kosmickými hodinami a poskytují údaje o ještě ranější fázi, která je pro přímé astronomické pozorování nedostupná.
To vše nás přivádí zpět k původní otázce: Co se stalo před velkým třeskem? Zde nás vědecká poctivost nutí říci jasně: nevíme. Velký třesk, jak jej chápeme dnes, není ani tak „explozí“ v určitém bodě prostoru, ale počátkem rozpínání samotného časoprostoru. Rovnice obecné relativity v kombinaci s kosmologickými pozorováními poměrně úspěšně popisují vývoj vesmíru od zlomku sekundy po tomto počátku. Při pokusech jít dále do minulosti však již současné teorie nejsou spolehlivé. Aby bylo možné smysluplně hovořit o tom, co mohlo být „předtím“, je zapotřebí hlubších poznatků, případně kvantové teorie gravitace.
To, co můžeme udělat, a právě toho experimenty, jako jsou ty na LHC, dosahují, je přibližovat se k této hranici stále více. Znovuvytvořením podmínek podobných těm, které panovaly ve vesmíru v jeho prvních mikrosekundách, fyzikové nejen testují své teorie, ale také zužují, které kosmologické scénáře jsou pravděpodobné a které nikoli. Každé nové měření kvarkového a gluonového plazmatu, každé potvrzení nebo překvapení, je dalším dílkem do skládačky našeho původu.
Nakonec nám tyto experimenty připomínají něco hlubokého: vesmír je v jistém smyslu reprodukovatelný na Zemi. V podzemním tunelu nedaleko Ženevy se na nepatrný zlomek sekundy a v objemu menším než atom znovu vytvářejí podmínky, které před miliardami let ovládaly celý vesmír. Toto spojení mezi nekonečně malým a nekonečně velkým je jedním z největších intelektuálních vítězství moderní fyziky. A přestože jsme stále ještě daleko od odpovědi na otázku, co předcházelo velkému třesku, každá srážka na LHC nás přibližuje k pochopení toho, jak z ohnivého chaotického plazmatu vznikl uspořádaný vesmír, který dnes obýváme.