U prvim mikrosekundama nakon Velikog praska svemir još nije bio ispunjen atomima, zvijezdama ni galaksijama. Nisu postojali ni protoni i neutroni kao stabilne čestice kakve danas nalazimo u atomskim jezgrama. Temperatura i gustoća bile su toliko velike da je materija postojala u drukčijem stanju: kao iznimno vruća i gusta smjesa kvarkova i gluona. To se stanje naziva kvark-gluonska plazma.
To je jedno od najekstremnijih poznatih stanja materije. U svakodnevnom svijetu materiju obično opisujemo kao krutinu, tekućinu, plin ili plazmu. Kvark-gluonska plazma pripada dubljoj razini građe materije. Obična plazma nastaje kada se elektroni odvoje od atomskih jezgri. U kvark-gluonskoj plazmi kvarkovi i gluoni više nisu zatočeni unutar hadrona, čestica među koje spadaju protoni i neutroni, nego tvore zajedničko, iznimno vruće i gusto stanje..
Protoni i neutroni, čestice od kojih su građene atomske jezgre, nisu temeljne čestice. Sastavljeni su od kvarkova, a kvarkove povezuju gluoni, prijenosnici jake nuklearne sile. U današnjem, mnogo hladnijem svemiru kvarkovi su zatvoreni unutar protona, neutrona i drugih čestica građenih od kvarkova. Ne možemo ih jednostavno izdvojiti i promatrati kao zasebne slobodne čestice.
U kvark-gluonskoj plazmi ta se vezanost privremeno gubi. Pri dovoljno visokim temperaturama protoni i neutroni više ne opstaju kao zasebne, stabilne čestice. Njihovi sastavni dijelovi, kvarkovi i gluoni, prelaze u zajedničko, gusto i iznimno vruće stanje. Prema današnjem razumijevanju fizike, upravo je takva materija ispunjavala svemir tijekom njegovih prvih mikrosekundi nakon Velikog praska.
Prije atoma, jezgri i protona
Da bismo razumjeli kvark-gluonsku plazmu, treba krenuti od obične materije. Obična materija oko nas sastavljena je od atoma. U središtu atoma nalazi se jezgra, a jezgru čine protoni i neutroni. Dugo se činilo da su upravo te čestice među najdubljim razinama građe materije.
Fizika 20. stoljeća pokazala je da protoni i neutroni imaju vlastitu unutarnju strukturu. Svaki proton i svaki neutron sastavljen je od kvarkova. Te kvarkove povezuje jaka nuklearna sila, najjača od temeljnih sila na razmjerima atomskih jezgri te samih protona i neutrona. Gluoni su čestice koje prenose tu silu.
Jaka nuklearna sila ponaša se drukčije od sila koje poznajemo iz svakodnevnog iskustva. Kod gravitacije ili elektromagnetske sile očekujemo da djelovanje slabi s udaljenošću. Kod kvarkova vrijedi neobičnije pravilo: što ih se pokušava više razdvojiti, potrebno je sve više energije. U praksi se slobodni kvark ne dobiva jednostavnim izdvajanjem iz protona. Uložena energija stvara nove čestice, pa kvarkovi ostaju vezani u česticama sastavljenima od kvarkova.
To se svojstvo naziva zatočenje kvarkova. Ono objašnjava zašto u prirodi ne nalazimo usamljene kvarkove, nego protone, neutrone i druge čestice građene od kvarkova. U današnjim uvjetima kvarkovi se pojavljuju samo kao sastavni dijelovi takvih čestica.
Rani svemir bio je drukčiji. U prvim mikrosekundama nakon Velikog praska temperatura je bila toliko visoka da protoni i neutroni nisu mogli opstati kao zasebne, stabilne čestice. Materija se nalazila u stanju u kojem su kvarkovi i gluoni činili zajedničku, iznimno vruću i gustu tvar. Kako se svemir širio, temperatura je padala. Kvarkovi i gluoni tada su se počeli vezati u hadrone, skupinu čestica kojoj pripadaju protoni i neutroni.
Taj prijelaz zove se hadronizacija. Bez njega ne bi bilo obične nuklearne materije. Najprije su nastali protoni i neutroni. Zatim su se, u kasnijoj fazi ranog svemira, oblikovale prve atomske jezgre. Mnogo kasnije, kada se svemir dodatno ohladio, elektroni su se mogli vezati uz jezgre i nastali su prvi atomi.
Taj redoslijed važan je jer pokazuje da materija nije od početka imala oblik koji danas poznajemo. Atomi nisu postojali od početka. Ni atomske jezgre nisu postojale od početka. Čak ni protoni i neutroni nisu postojali kao stabilne vezane čestice u najranijoj fazi. Prije njih postojao je svemir u kojem kvarkovi i gluoni još nisu bili zatočeni u hadrone.
Kvark-gluonska plazma zato opisuje jednu od najranijih faza poznate materije. Ona označava prijelaz iz vrućeg, gustog ranog svemira prema svijetu u kojem mogu postojati protoni, neutroni, atomske jezgre i naposljetku atomi. Iz tog prijelaza nastala je građa od koje će se mnogo kasnije oblikovati zvijezde, planeti, stijene, voda i živa bića.
U laboratoriju nastaju uvjeti iz ranog svemira
Danas kvark-gluonska plazma ne postoji oko nas u stabilnom, dugotrajnom obliku. Svemir se odavno ohladio. U današnjem svemiru kvarkovi su u običnoj materiji zatočeni unutar protona, neutrona i drugih čestica građenih od kvarkova. Ipak, u sudarima čestica moguće je nakratko stvoriti uvjete slične onima koji su vladali u prvim mikrosekundama nakon Velikog praska.
To se postiže sudarima teških iona. U takvim eksperimentima sudaraju se atomske jezgre teških elemenata. U RHIC-u se često koriste ioni zlata, a u Velikom hadronskom sudarivaču ioni olova. Te se jezgre ubrzavaju gotovo do brzine svjetlosti, a zatim se usmjeravaju jedna prema drugoj. U prostoru usporedivom s veličinom atomske jezgre i u iznimno kratkom vremenu nastaje tvar zagrijana na bilijune stupnjeva.
Takve temperature višestruko nadmašuju temperaturu u središtu Sunca. U njima protoni i neutroni više ne opstaju kao zasebne, stabilne čestice. Njihovi sastavni dijelovi, kvarkovi i gluoni, nakratko prelaze u zajedničko stanje. Upravo se to stanje naziva kvark-gluonska plazma.
Među najvažnijim središtima za takva istraživanja je Brookhaven National Laboratory u SAD-u, gdje radi Relativistic Heavy Ion Collider. U Europi se kvark-gluonska plazma proučava u CERN-u, gdje Veliki hadronski sudarivač omogućuje sudare teških iona, osobito olova. Eksperiment ALICE posebno je namijenjen proučavanju materije pri ekstremnim gustoćama energije, u uvjetima u kojima nastaje kvark-gluonska plazma.
Plazma se rekonstruira iz tragova čestica
Kvark-gluonska plazma traje prekratko da bi se mogla promatrati izravno. Nakon sudara sustav se gotovo odmah širi i hladi, a kvarkovi i gluoni ponovno se vežu u čestice koje detektori mogu zabilježiti.
Fizičari zato ne promatraju samu plazmu, nego njezine posljedice. Mjere koliko je čestica nastalo, koliku energiju nose, u kojim se smjerovima gibaju i kakvi se obrasci pojavljuju u njihovu rasporedu. Iz tih podataka mogu rekonstruirati svojstva tvari koja je postojala u najranijoj fazi sudara, prije nego što se ohladila i prešla u poznatije oblike materije. Iz raspodjele, energije i smjerova čestica nastalih nakon sudara fizičari rekonstruiraju svojstva tvari koja je postojala u najranijoj fazi.
Jedno od najvažnijih otkrića bilo je ponašanje kvark-gluonske plazme. Moglo se očekivati da će se oslobođeni kvarkovi i gluoni ponašati poput rijetkog plina čestica. Mjerenja su pokazala drukčiju sliku: kvark-gluonska plazma ponaša se više kao gotovo savršena tekućina vrlo male viskoznosti nego kao plin.
To znači da se njezini sastavni dijelovi ne gibaju kao skup neovisnih čestica koje se razlijeću bez zajedničkog obrasca. Gibanje je kolektivno. Kvarkovi i gluoni jesu oslobođeni iz protona i neutrona, ali njihova međudjelovanja ne nestaju. Naprotiv, ostaju dovoljno snažna da se cijeli sustav ponaša kao iznimno povezana tekuća tvar.
Takvo ponašanje važno je za razumijevanje jake nuklearne sile. Kvark-gluonska plazma omogućuje provjeru kvantne kromodinamike, teorije koja opisuje kvarkove, gluone i njihova međudjelovanja. Ista teorija objašnjava zašto su kvarkovi u današnjem svemiru vezani unutar protona i neutrona, ali i kako se ponašaju u uvjetima sličnima onima iz najranije faze svemira.
Što nam govori o početku materije
Kvark-gluonska plazma povezuje fiziku čestica s poviješću ranog svemira. Na jednoj strani su kvarkovi i gluoni, sastavni dijelovi protona i neutrona. Na drugoj je stanje materije koje je, prema današnjem razumijevanju, postojalo neposredno nakon Velikog praska, prije nego što su nastali stabilni protoni, neutroni i atomske jezgre.
Zato sudari u akceleratorima nisu samo potraga za rijetkim ili neobičnim česticama. Oni pomažu rekonstruirati prijelaz iz vrućeg, gustog ranog svemira u materiju od koje je izgrađen današnji kozmos. U tom prijelazu kvarkovi i gluoni vezali su se u hadrone, među njima protone i neutrone, a tek su se poslije oblikovale atomske jezgre i atomi.
Kvark-gluonsku plazmu ne treba zamišljati kao vatru, užareni plin ili eksploziju čestica. Riječ je o posebnom stanju materije u kojem kvarkovi i gluoni nisu zatvoreni unutar protona i neutrona, ali i dalje snažno međudjeluju. Njezina svojstva otkrivaju kako se materija ponašala prije nastanka stabilnih protona, neutrona i atomskih jezgri.
Pitanje što je kvark-gluonska plazma vodi prema jednom od temeljnih pitanja moderne fizike: kako je iz vrućeg i gustog ranog svemira nastala stabilna materija? Odgovor se sastavlja iz sudara čestica, tragova u detektorima i teorije koja opisuje ponašanje kvarkova i gluona. Što su ta mjerenja preciznija, to se jasnije može rekonstruirati razdoblje u kojem poznata materija još nije imala današnji oblik.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
