Vnitřnosti zařízení Heavy Flavor Tracker. Kredit: BNL.

Kvarky, tedy elementární částice, které tvoří například protony nebo neutrony, mají šest „vůní“. Podle nich se kvarky dělí na up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom či beauty (b) a top či truth (t). Kvarku „charm“ z druhé generace kvarků se česky říká půvabný. Stejně tak jsou půvabné i částice, které tento kvark obsahují. Tento kvark ale není běžnou součástí hmoty.

Flemming Videbaek při instalaci zařízení HFT na urychlovači RHIC. Kredit: BNL.

Právě půvabné kvarky nedávno překvapily fyziky neobvyklým chováním. Tato pozorování by nás mohla přivést k hlubšímu pochopení vesmíru bezprostředně po Velkém třesku, a také vědce konečně nasměrovat k nové fyzice, pokud nějaká taková existuje.

Překvapující chování půvabných kvarků poprvé pozorovali na urychlovači těžkých iontů RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) v newyorské Brookhavenské národní laboratoři. Vytvořili tam podmínky, které odpovídají biliontinám sekundy po Velkém třesku. Klíčem k tomuto pozorování bylo nedávno instalované zařízení Heavy Flavor Tracker (HFT), což je soubor ultracitlivých fotodetektorů. S tímto zařízením fyzici analyzovali chování půvabných kvarků, které se vynořily v urychlovači z extrémní srážky o teplotě bilionu stupňů. V experimentech ověřují modely vycházející z kvantové chromodynamiky.

Standardní model. Kvarky fialově. Kredit: MissMJ / Wikimedia Commons.

Aby na urychlovači RHIC vytvořili takové pekelné podmínky, tak proti sobě vypálili jádra atomů zlata téměř rychlostí světla. Když se srazily, tak to byla jízda. Vzniklo kvark-gluonové plazma, polévka hemžících se částic. Ve srážkách RHIC je tolik energie, že se tam objevují i exotičtější věci, jako právě půvabné kvarky. Mezi částicemi vzniklými ve srážce atomů zlata byly i těžké částice mezony D0, které se skládají z půvabného kvarku a anti horního kvarku. Mezony D0 existují jenom okamžik a pak se rozpadají na další částice – kaony a piony. Právě kaony a piony jsou tím, co ve skutečnosti „vidí“ experimentátoři se zařízením HFT.

Relativistic Heavy Ion Collider. Kredit: BNL.

Dosavadní modely předpokládaly, že mezony D0 jsou kvůli půvabným kvarkům příliš těžké na to, aby interagovaly s kvarky a gluony ve kvark-gluonovém plazmatu. Z experimentů na RHIC a povahy vytvořeného kvark-gluonového plazmatu ale vychází najevo, že tam nějaké interakce jsou. Fyzici teď budou muset na svých modelech zapracovat. Půvabné kvarky prozrazují nové informace o chování kvark-gluonového plazmatu a možná se časem vynoří i nějaká nová fyzika.

Flemming Videbaek z výzkumného týmu Brookhavenské národní laboratoře a jeho kolegové plánují na urychlovači zkoumat chování dalších těžkých a vzácných částic, jako například mezonů B, které tvoří spodní kvark s jedním z lehčích příbuzných. Uvidíme, co najdou zajímavého.

Video:  Splitting Atoms on Long Island


Literatura
Live Science 6. 6. 2017, Physical Review Letters 118: 212301.