Jak se podívat do nitra srážejících se neutronových hvězd?  
Při srážkách extrémně urychlených těžkých jader vzniká velmi horká a hustá jaderná hmota. V neutronových hvězdách máme velmi hustou, ale studenou jadernou hmotu. Ovšem při srážkách dvou neutronových hvězd vzniká z této studené velmi horká jaderná hmota, tedy podobná té ze srážek urychlených těžkých jader.

Kolegové Pavel Tlustý a Petr Chudoba na směně při experimentu se sestavou HADES (foto Petr Chudoba).
Kolegové Pavel Tlustý a Petr Chudoba na směně při experimentu se sestavou HADES (foto Petr Chudoba).

Jedním z nejzajímavějších objevů, který se podařil pomocí detekce gravitačních vln, je potvrzení toho, že srážky neutronových hvězd jsou zodpovědné za krátké záblesky gama. Současné pozorování gravitačních vln ze splynutí neutronových hvězd a krátkého záblesku gama 17. srpna 2017 bylo možné pozorovat v celé oblasti elektromagnetického spektra. Prokázaly se tak naše představy o této události a zároveň i skutečnost, že by to mohl být spolu se supernovami nejdůležitější zdroj těžkých prvků ve vesmíru, tedy třeba zlata, platiny a uranu. Zároveň se potvrdilo, že se při této srážce vytváří extrémně horká jaderná hmota.

 

Vlastností extrémně husté a horké jaderné hmoty lze studovat pomocí srážek těžkých jader. Ty si můžeme představit jako kapičky jaderné hmoty, která se při srážce ohřeje a stlačí. Vzniká tak hmota různě horká v závislosti na míře urychlení jader a geometrii srážky. Při extrémních urychleních a teplotách vzniká úplně nová fáze jaderné hmoty – kvark-gluonové plazma. Ta zde byla v prvních mikrosekundách po vzniku našeho Vesmíru. Při nižších teplotách je hmota složená z nukleonů (protonů a neutronů) a jim podobných částic. A právě v těchto oblastech teplot pracuje experiment HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer), který k urychlení jader využívá urychlovač SIS v ústavu GSI Darmstadt v Německu. Jádra zde získávají rychlosti a energie vhodné pro produkci jaderné hmoty o teplotě podobné té, která vzniká při srážce neutronových hvězd. Tedy v řádu stovek miliard stupňů. Urychlovač jádra urychlí a pošle je na pevný terč, kde ke srážkám dochází, a můžeme je tak posléze studovat.

 

Experiment HADES

Simulace srážky a slynutí dvou neutronových hvězd (nahoře) a dvou jader při srážce na urychlovači (dole). Barevná škála zobrazuje dosaženou hustotu a nalevo a dole je poloha. U neutronových hvězd v kilometrech a jader ve femtometrech. Je vyznačen i čas jednotlivých etap. U srážky neutronových hvězd jsou to milisekundy a srážky jader pak v jednotkách 3∙10^-24 s. Srážka jader je tak o 20 řádů kratší. (Zdroj Nature Physics 29. července 2019).
Simulace srážky a slynutí dvou neutronových hvězd (nahoře) a dvou jader při srážce na urychlovači (dole). Barevná škála zobrazuje dosaženou hustotu a nalevo a dole je poloha. U neutronových hvězd v kilometrech a jader ve femtometrech. Je vyznačen i čas jednotlivých etap. U srážky neutronových hvězd jsou to milisekundy a srážky jader pak v jednotkách 3∙10^-24 s. Srážka jader je tak o 20 řádů kratší. (Zdroj Nature Physics 29. července 2019).

Experiment HADES je dominantně určen pro studium párů elektronu a pozitronu (antičástice k elektronu), které vznikají při srážkách těžkých jader. Jde o velmi citlivou sondu, která umožňuje studovat vlastnosti vzniklé horké a husté jaderné hmoty v různých fázích jejího vzniku a následného vývoje, který je provázen jejím rozpínáním a chladnutím. Výhodou detekce elektronů a pozitronů je, že neinteragují silnou interakcí a nejsou po svém vzniku okolní jadernou hmotou ovlivněny. Nesou tak originální informaci z hmoty v době jejich vzniku. Silně interagující částice, které vznikají v o mnoho řádů větším počtu, jsou pozdější interakcí velice silně ovlivněny a původní informace se u nich ztrácí. Tyto částice se označují jako hadrony, a patří mezi ně i známé protony a neutrony.

 

Zachycení a hlavně přesná identifikace elektronů a pozitronů na pozadí extrémně velkého počtu hadronů je velmi náročnou záležitostí. Ve spektrometru HADES to umožňuje celá soustava detektorů. Tím klíčovým je čerenkovovský detektor. Ten využívá toho, že elektrony a pozitrony jsou oproti hadronům mnohonásobně lehčí. Při energiích, které při zkoumaných srážkách vznikají, tak pouze právě elektrony a pozitrony mají rychlosti extrémně blízké rychlosti světla ve vakuu. Hadrony mají rychlosti o dost nižší. Pokud vybereme vhodnou látku, v našem případě jde o vybraný plyn za přesně daného tlaku, tak pouze právě elektrony a pozitrony v něm budou mít rychlost větší, než je rychlost světla v tomto mediu. A jenom ony tak budou vyzařovat čerenkovovské záření. Elektricky nabitá částice, která má v látce rychlost větší, než je rychlost světla v ní, totiž vyzařuje světlo v definovaném úhlu vůči směru svého pohybu. V detektoru RICH (Ring Imaging Cherenkov detector) tak pouze elektrony a pozitrony vytvářejí světelné kroužky odrážené zrcadlem do CCD zobrazovače.

 

Pohled na spektrometr HADES v obdoví při přípravě na budoucí experiment (foto Petr Chudoba).
Pohled na spektrometr HADES v obdoví při přípravě na budoucí experiment (foto Petr Chudoba).

Úhel směru vyzařování čerenkovovského světla je sice dán rychlostí a tedy i hybností a energií zaznamenaného elektronu, ale určení těchto veličin z něj je značně nepřesné. Proto má HADES pro určení hybnosti elektronů a pozitronů magnetický spektrometr. Ten se skládá ze supravodivého magnetu a dvou stěn dráhových detektorů před ním a dvěma za ním. Nejdříve se určí směr pohybu částice před magnetem, pak magnet změní v závislosti na hybnosti směr jejího pohybu a určí se dráha po této změně. Tak lze velice přesně určit její hybnost.


Pro další zpřesnění identifikace částic vzniklých při srážce jsou v systému další detektory, které umožňují určovat dobu letu částice a z ní i její rychlost. Stejně tak je zde systém detektorů umístěných v místech blízkých k původnímu směru letu jader svazku. Ty zachycují trosky původních jader a umožňují tak zjistit, jaká byla geometrie dané srážky, jaký objem jaderné hmoty vznikl a jaké tak mohly být i dosažené teploty. A právě tyto sestavy detektorů dodala česká část spolupráce HADES. Čeští fyzikové a hlavně studenti z Ústavu jaderné fyziky AV ČR, Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy, Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT i dalších českých vědeckých institucí jsou totiž jednou z velmi významných součástí tohoto vědeckého týmu. Podrobný popis detektorové sestavy HADES, výzkumů, které umožňuje, i české účasti lze nalézt v článku v časopise Vesmír.

 

Petr Chudoba před elektromagnetickým kalorimetrem ECAL pro detekci vysokoenergetických fotonů gama, který v současné době doplňuje sestavu HADES a byl vybudován českou skupinou.
Petr Chudoba před elektromagnetickým kalorimetrem ECAL pro detekci vysokoenergetických fotonů gama, který v současné době doplňuje sestavu HADES a byl vybudován českou skupinou.

Co nám řeknou elektron pozitronové páry?

Proč se vlastně tak složité zařízení pro detekci elektron pozitronových párů vybudovalo? Jak už bylo zmíněno, elektrony a pozitrony interagují elektromagneticky, ale neinteragují silně. Nejsou tak ovlivněny následnou interakcí v jaderném médiu, kterým prolétají. Vznikají rozpadem velmi zajímavých hadronů, vektorových mezonů, které mohou měnit své vlastnosti uvnitř jaderné hmoty. Třeba zmenšit svou klidovou hmotnost. Pár elektronu a pozitronu, který při jejich rozpadu vznikl, nám umožňuje tuto hmotnost určit a studovat tuto změnu a tím i exotické vlastnosti silné jaderné interakce.


Jedna z nedávných mezinárodních směn na experimentu HADES i s českou účastí (foto GSI facebook)
Jedna z nedávných mezinárodních směn na experimentu HADES i s českou účastí (foto GSI facebook)

Umožňuje také „detekovat“ virtuální fotony. Žádné virtuální částice pozorovat přímo nedokážeme. Ovšem některé virtuální fotony se mohou přeměnit na reálný pár elektronu a pozitronu. Ten můžeme zachytit a určit pomoci něj zároveň informaci o virtuálním fotonu. A právě taková měření reálných párů elektronu a pozitronu vzniklých z virtuálních fotonů byla využita pro studium vlastností horké a husté jaderné hmoty podobné té, která se objevuje při srážce neutronových hvězd. Právě emise „tepelných virtuálních“ fotonů a z nich vzniklých párů elektron pozitron nese informaci o teplotě v době jejich vzniku a umožňuje nám vlastně získat teploměr i pro tak horké médium s teplotou v řádu stovek miliard stupňů.

 

Studium jaderné hmoty při kolizích neutronových hvězd i jader

 

Náš PhD student Lukáš Chlad z MFF UK na směně pře experimentech sestavy HADES.
Náš PhD student Lukáš Chlad z MFF UK na směně pře experimentech sestavy HADES.

Detekce elektron pozitronových párů vznikajících prostřednictvím termálních virtuálních fotonů není jednoduchou záležitostí. Jejich množství je malé a navíc je třeba je identifikovat na pozadí velkého množství dalších jejich zdrojů, například mezonů ró a jiných. I to je důvod, proč se to podařilo až nyní při srážkách zlata se zlatem a s využitím zkušeností z předchozích experimentů, které se prováděly i s dalšími dvojicemi jader. Umožnila to velmi vysoká dosažena hustota srážek a také velice efektivní výběr těch zajímavých srážek s přítomností párů elektron a pozitron k zápisu. Při tomto výběru se využily i prvky umělá inteligence.

 

 

Přesné určení teploty je jedním ze zásadních parametrů zkoumané jaderné hmoty a její určení je tak velmi důležité. V daném případě musíme měřit hodnoty, které se pohybují okolo 800 miliard stupňů. Zkoumání dalších vlastností hmoty podobné té z neutronových hvězd při jejich srážce nám umožní lépe modelovat průběh tohoto děje a následně i procesy, které vedou ke vzniku záblesku gama, produkci těžkých prvků (i těch supertěžkých) a emisi vysokoenergetického záření.

Na budování urychlovacího komplexu FAIR se intenzivně pracuje (zdroj Vladimír Wagner).
Na budování urychlovacího komplexu FAIR se intenzivně pracuje (zdroj Vladimír Wagner).

Nedávné otevření možnosti detekce gravitačních vln při splynutí neutronových hvězd a potvrzení jeho souvislosti s krátkým zábleskem gama umožňuje studovat tento jev ve vesmíru. Objev spolupráce HADES, na kterém jsem se mohl podílet i s dalšími českými fyziky a hlavně studenty, umožňuje studovat hmotu vznikající při této události v pozemské laboratoři. Výsledkům se věnuje článek v časopise Nature Physics.

 

Experiment HADES by se měl přesunout i na větší systém urychlovačů FAIR, na kterém se v laboratoři GSI Darmstadt pracuje. On a jeho následovník v podobě detektorového systému CBM bude studovat jadernou hmotu ještě v širší oblasti teplot a hustot a daleko detailněji. I na tomto výzkumu s využitím zařízení FAIR se budou čeští fyzikové intenzivně podílet. V následujících letech tak můžeme čekat v oblasti poznání velmi horké a husté hmoty ve vesmíru zásadní průlomy. Nasvědčuje tomu i letošní běh detektorů gravitačních vln, který začal v dubnu. Detekuje se stále více černých děr a podařilo se zachytit i další dvě splynutí dvou neutronových hvězd a 14. srpna dokonce splynutí neutronové hvězdy a černé díry. Ale o tom zase až někdy příště.

 

Video: Procházka kolem spektrometru HADES (autor videa Petr Chudoba):

20190118_095252.mp4

 

 

Datum: 27.08.2019
Tisk článku

Polohování - Wagner Uwe
 
 
cena původní: 279 Kč
cena: 237 Kč
Polohování
Wagner Uwe

Diskuze:

Velice pěkný článek

Pavel Brož,2019-08-27 22:20:15

Děkuji! Jenom dodám pro zvídavější čtenáře, u toho vztahu teploty a střední kinetické energie, tedy E=(3/2)kT, tam je důležité, že těch srážejících se entit - v daném případě nukleonů - je relativně hodně (protože se sráží těžká jádra) a že se během té srážky stihnou "termalizovat", tj. významně si přerozdělit kinetickou energii. Vztah E=(3/2)kT se sice dá použít i jako univerzálně použitelné "přepočítadlo" z energie na teplotu i v případě srážek velmi lehkých jader, anebo dokonce srážek elementárních částic, nicméně tam už to nedává ten význam teploty, když těch částic je tam málo a redistribuce kinetické energie mezi nimi není tak "hromadná". Je to podobné, jako když se v kulečníku srazí dvě koule, anebo když se provede počáteční rozstřel mnoha koulí - ten druhý případ může sloužit jako jisté přiblížení tepelného pohybu, ten první nikoliv.

Odpovědět


Re: Velice pěkný článek

Vladimír Wagner,2019-08-27 22:51:28

Díky Pavlovi za doplnění, také jsem toto zdůraznil v odpovědi panu Bzduškovi níže. Pro rozumné definování teploty musíme mít systém dostečného počtu částic v termodynamické rovnováze. Ono to může mít smysl i při srážkách lehkých jader a třeba i dvojice protonů. Ale musí to být třeba na LHC při takových energiích, kdy se vykreuje díky přeměně kinetické energie při srážce na hmotu nových kvarků a gluonů (vzniká kvark-gluonové plazma) dostatečný počet těchto částic a stihne se v něm pak vytvořit termodynamická rovnováha. Tím je tak splněna podmínka pro korektní definování teploty. Jak to vypadá, když vzniká kvark- gluonové plazma a jaké podmínky musí být splněny (třeba ta termodynamické rovnováha) jsem popisoval v jednom starším článku pro Pokroky matematiky, fyziky a astronomie: http://ojs.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/qgp/stavrov.pdf

Odpovědět


Re: Re: Velice pěkný článek

Pavel Brož,2019-08-27 23:36:33

Děkuji za odkaz na ten článek pro Pokroky MFA, ten jsem ještě neznal, teď jsem ho přelétl, a je výborný, rozhodně si ho ještě jednou pečlivě přečtu. Je psaný velice přístupnou a pro laiky srozumitelnou formou, doporučuji všem čtenářům, kteří se zajímají o tyto experimenty, které mohou poodhalit, jak mohla hmota v nejrannějších okamžicích Velkého Třesku vypadat.

Odpovědět


Re: Velice pěkný článek

Vladimír Bzdušek,2019-08-28 16:40:16

OK, vďaka, rozumiem, neprotirečím, všetko sedí. (Mám pár semestrov z danej veci). Len o "teplote" by som hovoril v rámci rozsahu, kde sa to "meria" ako teplota. Ak sa to "meria" alebo "definuje" alebo "určuje" ako energia, hovorme o energii, a podľa mňa je jedno, či tie častice majú usporiadaný alebo neusporiadaný pohyb. (urýchľovač vs. centrum zrážky neutrónových hviezd).
P.S.
Berte ma s rezervou, akosi rád rýpem, ale rád sa aj niečo dozviem.

Odpovědět


Re: Re: Velice pěkný článek

Vladimír Wagner,2019-08-28 17:48:35

Ne, nemáte pravdu. Nejde o energií, teplota je přesně definovaná veličina souboru částic, která je spojena s jejich neuspořádaným pohybem. Opravdu ji nelze spojovat s uspořádaným pohybem souboru částic. Pokud Vám případ uspořádaného a neuspořádaného pohybu připadá z tohoto hlediska stejný, tak jste opravdu nepochopil ani základní principy.

Odpovědět


Re: Re: Re: Velice pěkný článek

Vladimír Bzdušek,2019-08-28 18:48:01

Ale áno, máte samozrejme pravdu, -neusporiadaný-, súhlasím. Je to vo všetkých definíciách.

Odpovědět

Ako

Vladimír Bzdušek,2019-08-27 19:49:07

je definovaná teplota v rozsahu
"okolo 800 miliard stupňů" ?

Odpovědět


Re: Ako

Vladimír Wagner,2019-08-27 21:44:52

Interpretace teploty v kinetické teorii souvisí se střední kinetickou energií chaotického pohybu částic, které je tvoří. Takže = (2/3)kT, kde k je Boltzmanova konstanta. V našem případě například pro teplotu 800 miliard Kelvinů (stupňů) je tato střední kinetická energie částic zhruba 46 MeV. Jde o teploty, které měla hmota našeho vesmíru v době řádu desítek mikrosekund. V té době byla ve formě hadronového plynu (kvark- gluonová plazma přešla na hadronový plyn při teplotě zhruba 2x10^12 K). Takové teploty vznikají v nitru vybuchující supernovy. Nevím, jak je vhodně přiblížit, než že je to více, než sto tisíckrát více než v nitru Slunce.

Odpovědět


Re: Re: Ako

Vladimír Wagner,2019-08-27 21:53:31

Pochopitelně má být 3/2 a ne 2/3 :-) Za každý ze tří stupňů volnosti 1/2. A tedy pro uváděnou teplotu zhruba 100 MeV.

Odpovědět


Re: Re: Re: Ako

Vladimír Bzdušek,2019-08-27 22:11:34

Samozrejme, je to priama úmernosť. Lenže prečo sa u urýchľovača udáva energia? Parameter "teplota" by som bral dovtedy, kým sa častice nejako klasicky "zohrievajú", ako v Boltzmannovej dobe. Alebo hrá prím "štatistika" veľkého počtu častíc? Môže mať jediná častica definovanú teplotu? (Teplota je stredná ...)

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Ako

Vladimír Wagner,2019-08-27 22:32:26

Tady si je třeba dát pozor na jednu věc. Psal jsem !!! střední hodnota kinetické energie chaotického pohybu částic !!! Teplota je veličina definovaná jen pro dostatečně velký statistický soubor částic v termodynamické rovnováze. Tedy teplota jedné částice neexistuje, nemá smysl.
Jinak energie u urychlovače se vztahuje k jejich ! uspořádanému ! pohybu v jednom směru. Teplota svazku se také někdy používá, ale pak by definovala rozptyl hybností svazku. Tedy, šlo by o střední energií chaotického pohybu částic svazku vůči jeho těžišti. Definuje tak přesnost, se kterou dokážeme zajistit, aby byla energie částic ve svazku a směr jejich pohybu stejný.
Jinak, podrobněji jsem se věnoval různým definicím, interpretacím a zobecněním teploty a třeba i záporným absolutním teplotám ve dvou dřívějších článcích: http://www.osel.cz/5456-neni-teplota-jako-teplota-a-chladno-jako-chladno.html a http://www.osel.cz/5471-jak-se-dosahuje-a-meri-zaporna-spinova-teplota.html .

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace