Částicové Zoo – gluony, vesmírné lepidlo

Na gluony jsme narazili už v kapitole o jiných elementárních částicích – kvarcích.  Dnes se budeme věnovat gluonům trochu důkladněji.

Slovo gluon je odvozeno od anglického „lepidlo – glue“. Gluony totiž ve složených hadronových částicích působí doslova jako lepidlo.

Hadrony jsou částice, složené z několika kvarků (běžně ze dvou nebo tří). Vzhledem k tomu, že existují jen dvě hodnoty elektrického náboje kvarků, jsou v případě tříkvarkových částic ve hře vždy dva kvarky se stejným nábojem. Ty by se měly díky elektromagnetické síle odpuzovat a částice by se měla teoreticky rozpadnout. Gluony se spolu s jednou ze čtyř hlavních fyzikálních sil starají o to, aby byly hadrony stabilní.   

Silná jaderná interakce

Mezi jednotlivými kvarky působí jedna ze základních fyzikálních sil - tzv. silná jaderná interakce. Ještě v dobách mé školní docházky se vědci domnívali, že nositelem této síly jsou samotné kvarky a sílu, která je drží pohromadě, nazývali jednoduše jaderná síla. Tento koncept se ukázal být chybným.

Dnes víme, že je silná jaderná interakce založena na speciální vlastnosti některých částic, „barevném náboji“. Jsou to právě malé elementární částice, gluony, které mezi jednotlivými kvarky tento náboj zprostředkovávají. Zastávají tak podobnou roli, jakou mají vůči elektromagnetické síle fotony. Na rozdíl od nich ale gluony nejsou vůči své „rodné“ síle imunní. Experimenty v urychlovačích potvrdily, že i samy gluony nesou barevný náboj. Kromě toho, že k sobě „slepují“ kvarky, se tedy mohou spojovat i mezi sebou navzájem.

V kapitole o protonech jsem gluony popsala jako ošetřovatele, kteří převlékají zebry a antilopy do různých převleků. Pečují o ně a drží stádo pohromadě.

Silná jaderná síla má jen malý dosah, působí jen do vzdálenosti zhruba 10^-15m.

Aby vyhovovaly částice zákonům kvantového světa, musí být navenek vždy barevně neutrální. Jednotlivé kvarky stabilních částic zaujímají takové barvy, jejichž výsledný součet odpovídá neutrální bílé. Pokud se setkají dvě částice ve větší vzdálenosti, mají dojem, že jsou vzájemně neutrální a nemají důvod k interakci. Teprve až ve větší blízkosti umějí částice rozeznat jednotlivé součástky svých protějšků a jejich barevné náboje – a reagovat na ně.

Matka gluonů, silná interakce, se od ostatních sil odlišuje nejen počtem svých nábojů (elektromagnetismus zná dva – kladný a záporný, silnou interakci doprovázejí hned tři „barvy“).  Mimo jiné nedovoluje, aby se ve vesmíru vyskytovaly osamocené kvarky. Když se budeme snažit oddělit z jádra protonu nebo neutronu jeden z jeho kvarků, nepodaří se to. Zatímco při malých vzdálenostech dovoluje silná interakce těmto elementárním částicím relativně svobodný pohyb, při jejich vytržení ze systému naopak vyžaduje, aby experimentátor použil enormně vysokou energii. Síla silné  jaderné interakce až do určitého bodu roste – a tím se liší například od gravitace nebo elektromagnetické síly, které na vzdálenější částici působí vždy méně intenzivně. Ještě dříve, než se podaří kvark z jádra částice oddělit, vznikají díky přidané energii nové kvarky a antikvarky. Ty vytvoří s kvarkem, který se snažíme ze systému vytrhnout, nový hadron.

„Síla“ silné jaderné interakce

Pokud porovnáme intenzitu všech čtyř známých fyzikálních sil,  můžeme odhadnout, která z nich je „nejsilnější“.

Srovnáme-li účinky sil v určité typické vzdálenosti, při stejných hmotnostech a nábojích částic, stane se vítězem jednoznačně silná jaderná interakce. Druhou příčku obsadí elektromagnetismus (100x slabší). Slabá jaderná interakce dosahuje jen desetitisíciny síly své „silné“ příbuzné. Nejslabší silou je gravitace, která je 10^38 krát slabší než silná jaderná interakce.

Vlastnosti gluonů

Gluony nesou náboj silné jaderné interakce, kterému se zjednodušeně říká „barva“. Tento náboj může (na rozdíl od elektromagnetické síly, která zná jen dva náboje – kladný a záporný) dosahovat tří různých hodnot a chová se podobně, jako barevné paprsky v našem makrosvětě. Složením tří různých „barev“ získá částice svůj požadovaný neutrální charakter, stejně jako vzniká složením červeného, modrého a zeleného paprsku bílé světlo.

Silnou jadernou interakci mezi kvarky přenáší osm různých typů gluonů. Odlišují se od sebe svými barevnými kombinacemi. Barvy se dají zkombinovat do osmi různých variant: červená-antizelená, červená-antimodrá, zelená-antičervená, zelená-antimodrá, modrá-antičervená a modrá-antizelená. Další dva gluony se skládají ze všech tří barev a ze všech tří antibarev. 

První skupina, která je dvoubarevná, mění barevný náboj kvarků. Druhá skupina barevný náboj nemění.

Výměna probíhá jednoduše: červený kvark vyšle červeno-antimodrý gluon, „ztratí“ tím svou červenou barvu a zůstane opačná barva než je antimodrá – tedy modrá barva.  Modrý kvark proreaguje s tímto gluonem, antimodrá barva gluonu vyruší jeho modrou a namísto ní dostane kvark červenou, kterou k němu gluon přinesl. Stane se tak červeným kvarkem.

Gluony jsou elektricky neutrálními částicemi a teoreticky mají nulovou klidovou hmotnost. Zákony  fyziky dovolují podobným částicím, aby se pohybovaly rychlostí světla. Gluony se nedají vážit – osamocené gluony totiž prakticky neexistují. Jejich hmotnost se ale dá odhadnout. U reálných a rychle se pohybujících gluonů může dosáhnout až několik MeV.

Výlet k počátkům vesmíru, kvark-gluonové plazma

Experimenty ve velkých urychlovačích odhalují další a další záhady kvarkového světa. Vyplývá z nich, že se dá stav velice husté hmoty popsat podobným grafem, jakým se vyjadřují přechody mezi různými skupenstvími látek (tzv. fázové přechody).

Z tzv. fázového diagramu vody můžeme například odečíst, v jakém skupenství se nachází voda při určitém tlaku a teplotě. Podobný diagram sestavili vědci i pro velice hustou hmotu.

Při relativně nízké teplotě a nízkém tlaku se hmota nachází ve stavu, na jaký jsme zvyklí. Kvarky a gluony tvoří jádra složených částic – hadronů. Jednotlivá jádra si zachovávají svou integritu. Silná jaderná interakce nedovolí, aby se kvarky od sebe vzdálily více, než na určitou předem definovanou vzdálenost. Pokud zůstávají pohromadě, mají kvarky v rámci jádra částice relativní volnost a mohou se pohybovat bez dalších omezení.

Při překročení určité teploty se ale vazby mezi jednotlivými gluony a kvarky „roztaví“. Hmota přechází nejprve do jakéhosi přechodného, neurčitého stavu a poté do nového „skupenství“, ve kterém se kvarky i gluony mohou pohybovat bez dalších omezení, daných silnou jadernou interakcí.

Kritickou teplotu vědci vypočítali pomocí počítačových simulací a změřili při jednom z experimentů na urychlovači CERN, který nesl poetický názvev „Malý třesk“. Je to teplota, která je miliardkrát vyšší, než teplota uvnitř našeho Slunce. Při 1,7x10^12 K, kdy se hmota stává kvark-gluonovým plazmatem, se její stav podobá počátečnímu stádiu, kterým procházel náš vesmír krátce po Velkém třesku. Dnes se tento stav ve vesmíru objevuje nejspíše už jen po kolapsu velice hmotných hvězd, v jádrech objektů, kterým říkáme neutronové hvězdy.

Příště: Částicové Zoo - gravitony