Snaha lidstva rozluštit nejranější okamžiky vesmíru dostala významnou podporu úspěšným ověřením detektoru sPHENIX v Relativistickém urychlovači těžkých iontů (RHIC) v Brookhavenské národní laboratoři. Tento špičkový nástroj je nyní plně funkční a připraven zkoumat „popel“ kvark-gluonového plazmatu (QGP), exotického stavu hmoty, který dominoval kosmu pouhé mikrosekundy po Velkém třesku. Jeho úspěšný výkon v klíčovém srovnávacím testu otevírá nové cesty k pochopení toho, jak se základní částice spojily do stabilní hmoty, kterou dnes vidíme v celém vesmíru.
Kvark-gluonové plazma představuje prvotní polévku volných kvarků a gluonů, základních stavebních kamenů protonů a neutronů. QGP, existující pouze za extrémních teplot a hustot, nabízí jedinečné okno do počátečních podmínek vesmíru, ještě než se mohla zformovat hmota, jak ji známe. RHIC, druhý nejvýkonnější urychlovač částic na světě po Velkém hadronovém urychlovači, usnadňuje tento výzkum srážením těžkých iontů, jako je zlato, rychlostí blízkou rychlosti světla. Tyto srážky na okamžik znovu vytvářejí podmínky nezbytné pro vznik QGP, což fyzikům umožňuje studovat jeho vlastnosti.
- Detektor sPHENIX byl úspěšně ověřen v Relativistickém urychlovači těžkých iontů (RHIC).
- Jeho cílem je zkoumat „popel“ kvark-gluonového plazmatu (QGP), exotického stavu hmoty.
- QGP dominovalo vesmíru pouhé mikrosekundy po Velkém třesku.
- RHIC vytváří podmínky pro QGP srážením těžkých iontů rychlostí blízkou světlu.
- Tento úspěch otevírá nové cesty k pochopení vzniku stabilní hmoty ve vesmíru.
Ověřování prvotní sondy
Připravenost sPHENIX pro tento hluboký výzkum byla potvrzena rigorózním testem „standardní svíčky“, což je základní srovnávací kritérium v částicové fyzice používané k posouzení přesnosti detektoru. Na rozdíl od astronomických standardních svíček se zde jedná o přesné měření zavedených konstant. Projekt sPHENIX toho dosáhl přesným kvantifikováním počtu a kolektivní energie částic vzniklých při srážce dvou iontů zlata relativistickými rychlostmi.
Další ověření přišlo z schopnosti detektoru rozlišovat a měřit částice vznikající při čelních srážkách versus tečných srážkách mezi ionty zlata. Výsledky sPHENIX ukázaly, že čelní srážky generovaly desetkrát více částic s desetinásobnou energií ve srovnání s jejich tečnými protějšky. Tato kvantitativní konzistence je klíčová a signalizuje, že detektor funguje podle návrhu. Gunther Roland, člen týmu sPHENIX Collaboration a profesor fyziky na Massachusettském technologickém institutu (MIT), to přirovnal k prvnímu úspěšnému snímku nového teleskopu, který potvrzuje jeho připravenost k novým vědeckým objevům.
Odhalení prvních okamžiků vesmíru
Zatímco urychlovače částic dokáží krátce vyvolat kvark-gluonové plazma, jeho existence je extrémně přechodná, trvá pouhou sextilióntinu sekundy. Během tohoto mikro-okamžiku dosahuje QGP teplot bilionů stupňů a chová se jako „dokonalá tekutina“ spíše než neuspořádaná sbírka částic. Jak rychle chladne, tento exotický stav se rozptýlí a tvoří protony a neutrony, které následně unikají z místa srážky. Vědci proto nemohou QGP pozorovat přímo; místo toho pečlivě analyzují jeho produkty rozpadu – jeho „popel“ – aby rekonstruovali původní charakteristiky plazmatu. Jak vysvětlil Roland, sPHENIX je navržen tak, aby měřil tyto výsledné částice a odvodil vlastnosti plazmatu, které téměř okamžitě mizí.
Detektor sPHENIX, impozantní struktura o velikosti dvoupatrového domu a hmotnosti přibližně 1000 tun, představuje významný skok v technologii detekce částic. Strategicky umístěný v hlavních svazcích RHIC je zkonstruován tak, aby zachycoval a měřil ohromujících 15 000 srážek částic za sekundu. Tento technologický zázrak funguje podobně jako obrovská 3D kamera, sledující množství, energii a trajektorie částic generovaných při těchto vysokoenergetických událostech. Výzkumník z MIT Cameron Dean zdůraznil, že sPHENIX využívá dvě desetiletí pokroků v detektorech, což mu umožňuje sbírat data bezprecedentní rychlostí a zkoumat výjimečně vzácné procesy.
Rigorózní testování „standardní svíčky“, prováděné po dobu tří týdnů na podzim roku 2024, položilo základy pro probíhající vědeckou misi sPHENIX. Detektor se v současné době podílí na dalších experimentech s kolizemi částic, které se očekávají, že budou pokračovat několik měsíců. Tento rozsáhlý sběr dat si klade za cíl odhalit prchavé, jednou za miliardu vzácné procesy, které by mohly poskytnout hluboké vhledy do kritických aspektů, jako je hustota QGP, difúze částic ultra-hustou hmotou a základní energie potřebná k vázání částic dohromady. Tato zjištění, po úplné analýze, se očekávají k publikaci v srpnovém vydání Journal of High Energy Physics, čímž významně přispějí k našemu základnímu pochopení vesmíru.