Síly, které ovládají pohyby makroskopických objektů. jako jsou planety nebo tenisové míčky, jsou složité. Avšak síly mezi atomy při velmi nízkých teplotách jsou ještě složitější. V tomto stavu atomy, které se chovají jako vlny, jsou tak rozprostřeny v prostoru, že se navzájem překrývají s okolními atomy. Pokud tyto atomy jsou bosony (jejich celkový spin je celočíselný), pak se všechny mohou nacházet ve stejném kvantovém stavu a mohou tvořit Boseův-Einsteinův kondenzát. Pokud však tyto atomy jsou fermiony (jejich celkový spin je poločíselný), pak se podle kvantové mechaniky řídí Pauliho vylučovacím principem (žádné dva atomy nemohou být ve stejném kvantovém stavu). Žádné dva atomy proto nemají stejnou energii. V tomto "Fermiho degenerovaném" stavu atomy zaujímají všechny dostupné kvantové hladiny energie. V každém kvantové hladině může být buď pouze jeden atom nebo pouze dva atomy s opačným spinem.

Nyní fyzikové z laboratoře ETH v Zürichu dosáhli nejen degenerovaného Fermiho plynu, ale také umístili jeho atomy do mezer v optické mřížce, v umělém trojrozměrném krystalu, v němž jsou atomy udržovány elektrickými poli laserových paprsků. Pomocí vnějšího magnetického pole lze atomy umístěné v určitých místech optické mřížky donutit, aby vzájemně interagovaly ("Feshbachova resonance) s proměnnou intenzitou. Podle Tilmana Esslingera [M1] lze interakce mezi atomy ovládat podle potřeby, proto je tento výsledek velmi užitečný. Pomocí optické mřížky atomů lze v tomto reálném fyzikálním systému testovat různé teorie pevných látek, jako je teorie vysokoteplotní supravodivosti. (Kohl et al., Physical Review Letters, 4. března 2005; laboratorní WEB: [X1])

Záhadný signál v některých experimentech na urychlovači relativistických těžkých iontů v Brookhavenu (RHIC, Brookhaven's Relativistic Heavy Ion Collider) vysvětlují dva výzkumníci jako důkaz zárodečného stavu jaderné hmoty, který by měl souviset s kvark-gluonovou plasmou nebo podobnou exotickou hmotou v mladém vesmíru. Srážkami dvou paprsků atomů zlata na urychlovači RHIC v New Yorku se výzkumníci pokoušejí vytvořit kvark-gluonovou plasmu, zárodečný stav hmoty, v němž se kvarky a gluony pohybují volně a kvarky nejsou uvězněny v baryonech a mesonech. Podle výsledků dvou týmů RHIC (STAR a PHENIX), kteří se zabývají analýzou pionů (nejlehčích mesonů složených z dvojic kvarků a antikvarků), oblast srážky je menší a existuje po kratší dobu, než se očekávalo. Tyto týmy používají Hanburyho-Brownovu-Twissovu metodu, která se v astronomii používá pro měření rozměrů hvězd. Její subatomový ekvivalent používá prostorově oddělené detektory pro záznam dvojic pionů vylétajících z místa srážky k určení velikosti oblasti srážky. Nyní se experimentátor John G. Cramer [M2] a teoretik Gerald A. Miller [M3] z Univerzity ve Washingtonu nyní společně navrhli řešení této záhady. Vědci vzali v úvahu skutečnost, že piony s nízkou energií, které vznikají uvnitř oblasti srážky, se chovají spíše jako vlny než jako částice. Relativně velké vlnové délky umožňují, aby se piony překrývaly s jinými částicemi uvnitř místa srážky. Tato nová kvantově mechanická analýza vedla výzkumníky k závěru, že uvnitř husté a horké oblasti srážky se objevuje určitý zárodečný jev. Podle Millera a Cramera je silná jaderná interakce tak silná, že piony překonávají přitažlivé síly okolních kvarků a antikvarků. V důsledku tohoto jevu se piony chovají jako téměř nehmotné částice uvnitř hustého prostředí. Taková situace mohla nastat krátce po velkém třesku, když vesmír byl velmi horký a hustý. Aby piony mohly překonat přitažlivou sílu kvarků, musí část své kinetické energie přeměnit v hmotu, aby obnovily část své ztracené hmotnosti. Avšak horké a husté prostředí má pro piony určité závažné důsledky. Silná přitažlivá síla a absorbce některých pionů v oblasti srážky způsobuje, že oblast srážky vypadá na základě detekce pionů menší. Podle Millera pozorování oblasti srážky pomocí pionů vypadá jako pohled zakřivenou čočkou. Piony ukazují, že velikost jádra atomů zlata by měla být asi 7 fermi, zatímco velikost běžného jádra atomů zlata je asi 11,5 fermi. (Cramer, Miller, Wu and Yoon, Phys Rev Lett, 18. března 2005).

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 723. March 15, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Výzkumníkům se poprvé podařilo dosáhnout přímé detekce extrasolárních planet. Předchozí důkazy existence planet kolem jiných hvězd se opíraly o malé modulace světelného záření hvězd. Nyní se podařilo zaznamenat infračervené záření samotných planet Spitzerovým vesmírným dalekohledem (the Spitzer Space Telescope) [X1] Planety HD 209458b (ve vzdálenosti 153 světelných let od Slunce) a TrES-1 (489 světelných let od Slunce) se pohybují kolem svých hvězd ještě blíže než Merkur kolem Slunce. Obě planety však mají velikost asi planety Jupiter a proto jsou dostatečně velké, aby je mohl Spitzerův dalekohled přímo pozorovat. (Tisková konference NASA, 23. března 2005; Nature, 7. dubna 2005)

Kvantová fyzika umožňuje takové kolektivní chování, které odporuje naší běžné intuici. Například při velmi nízké teplotě se atomy hélia He-4 mohou překrývat kvůli své vlnové povaze. Atomy pak mají stejný kvantový stav a jsou vzájemně nerozlišitelné. V tomto stavu kapalné hélium He-4 teče bez tření (supratekutost). Podobně ochlazené kvantově kondenzované plyny ve formě Boseových Einsteinových kondenzátů mohou být supratekuté. Avšak co pevné látky? Mohou také "téci" bez tření? V roce 2004 Moses Chan z Pennsylvánské státní univerzity oznámil výsledky experimentu, v němž se pevné hélium He-4 pohybovalo podobně jako kolotoč. Část pevného hélia se pohybovala kolem pevného středu bez tření. Moses Chan tento jev interpretoval jako supratekutost pevného hélia.

Nyní Moses Chan podal důkaz pro supratekuté chování pevného vodíku. Na zasedání Americké fyzikální společnosti (the American Physical Society) v dubnu 2005 v Los Angeles uvedl, že jeho výsledky jsou předběžné a bude nutné provést další experimenty, aby se vyvrátila nebo potvrdila některá alternativní vysvětlení. Zatím se však jeho vysvětlení jeví jako velice věrohodné.

Novým způsobem studia tohoto důležitého tématu je použití nástrojů statistické fyziky. Na zasedání Americké fyzikální společnosti v dubnu 2005 Michael Deem z Rice University [M1] popsal nový způsob předpovídání účinnosti vakcíny proti chřipce. Vyšší účinností vakcíny se rozumí, že chřipkou onemocní menší počet očkovaných lidí vzhledem k počtu neočkovaných lidí.

Pro měření účinnosti výzkumníci prozkoumali protein hemagglutinin (H), hlavní protein na povrchu viru chřipky typu A, na který reaguje imunitní systém organismu. Jedním standardním přístupem je zkoumat všechny mutace celého proteinu u virů chřipky typu A mezi dvěma obdobími jejího výskytu. Jiným přístupem je studovat schopnost produkce protilátek v organismu při vakcinaci původním kmenem a mutovaným kmenem viru chřipky. Tento přístup je však pouze průměrným indikátorem účinnosti vakcíny. Michael Deem a jeho kolegové z Rice University ukázali, že každý protein H má pět "epitopů" (oblastí spouštějících produkci protilátek), které mutují různými rychlostmi. Tým z Rice University se zabýval jedním, který mutuje nejvíce jako "dominantní" epitop. Vědci pro analýzu využili teoretických nástrojů původně vyvinutých pro jadernou fyziku a fyziku kondenzované hmoty. Soustředili se na aminokyseliny, které se v dominantním epitopu mění během přechodu od jedné sezóny chřipky k další sezóně. Na základě své analýzy epidemiologických dat za období 35 let došli k závěru, že korelace mutací epitopu jsou spolehlivějším indikátorem účinnosti vakcíny než tradiční přístupy. Deem a jeho kolegové Vishal Gupta a Robert Earl jsou přesvědčeni, že jejich metoda přispěje k vývoji účinnějších vakcín proti chřipce.

Zřejmě nejznámější skupinovou fotografií fyziků je snímek ze Solvayské konference v Bruselu v roce 1927. Solvayské konference nesly jméno Ernsta Solvaye (1838 - 1922), významného mecenáše a organizátora vědy. První Solvayská konference se konala v Bruselu v říjnu 1911, kdy jejím předsedou byl Hendrik Antoon Lorentz. Na Solvayské konferenci v Bruselu v roce 1927 začali Albert Einstein a Niels Bohr vést dlouhé debaty o kvantové mechanice. Této konference se účastnili také Max Planck, Niels Bohr, Louis de Broglie, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger a Paul Adrien Maurice Dirac.

Mnohem méně je známo, že ze Solvayské konference v roce 1927 se zachoval také krátký film. Na asi tříminutovém snímku jsou zachyceni tehdejší a budoucí nositelé Nobelovy ceny včetně Alberta Einsteina, Marie Curie, Nielse Bohra a Maxe Plancka. Film byl celá dlouhá desetiletí zcela zapomenut, až byl znovu promítnut veřejnosti na zasedání Americké fyzikální společnosti APS Nancy Greenspanovou, autorkou prvního úplného životopisu Maxe Borna pod názvem "The End of the Certain World". [X2]

Největším přínosem Maxe Borna byl objev, že vlnová funkce vyskytující se ve vlnové rovnici Erwina Schrödingera neurčuje přesnou polohu elektronu v atomu, ale spíše statistickou pravděpodobnost jeho výskytu na různých místech. Tento pohled na realitu se později na počest Nielse Bohra začal nazývat "kodaňská interpretace". Greenspanová tvrdí, že Max Born nebyl historiky vědy doceněn za svůj přínos ke kvantové fyzice. Prezident Americké fyzikální společnosti Marwin Cohen (Kalifornská univerzita v Berkeley) uvedl, že zřejmě nejplodnější teoretickou "školou" všech dob byla skupina Maxe Borna na univerzitě v Göttingenu v letech 1922 až 1932. Mezi Bornovy studenty a mladší kolegy patřili fyzikové jako Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Enrico Fermi, Maria Goeppert-Mayer, Linus Pauling, Eugene Wigner a Robert Oppenheimer.

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 724. March 25, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Michael Roukes a jeho kolegové z Kalifornského technického institutu (Caltech, the California Technical Institute) sestrojují některé nejjemnější nanoskopické elektromechanické systémy (NEMS, nanoscopic electromechanical systems) na světě. Jejich posledním úspěchem je měření hmotnosti s přesností asi jednoho zeptogramu s nepřesností několika 10^-21 gramů. S takovou přesností již lze vážit jednotlivé molekuly. Ve svých experimentech výzkumníci zjistili dopad asi 30 atomů xenonu (tedy asi 7 zg), což je hmotnost malého proteinu. Tyto velmi malé hmotnosti se měří pomocí jejich účinku na oscilující dvojitě vyztužené vlákno z karbidu křemíku, které slouží jako prvek pro určení frekvence v laditelném elektronickém obvodu. V praxi vlákno může vibrovat až s kmitočtem více než 100 MHz, pokud na toto vlákno dopadnou malé biomolekuly. Každá taková molekula, která dopadne na toto vlákno, změní jeho resonanční frekvenci. Po krátké době vzorkování lze molekulu odstranit a zvážit další. Tento druh miniaturizace a automatizace by mohl změnit současnou hmotnostní spektroskopii a mohl by přispět k rozvoji dalších bioinženýrských technologií, zejména při studiu rakoviny a jejích příčin. Michael Roukes [M1] a jeho skupina oznámili své výsledky na zasedání Americké fyzikální společnosti v Los Angeles koncem března 2005.

Rozptyl paprsku laseru na mitochondrii, "elektrárny" živých buněk, by mohl sloužit k rozpoznání vznikající rakovinné jaterní buňky a případně monitorovat kmenové buňky a různé fáze jejich vývoje. Na zasedání Americké fyzikální společnosti koncem března 2005 Paul Gourley ze Sandia Univerzity  [M2] oznámil nové využití "biodutinového laseru", polovodičového laseru AlGaAs, který je schopen souvisle čerpat jednotlivé lidské buňky do komůrky pro analýzu. Paprsek laseru byl upraven tak, aby procházel buňkami. Světlo o vlnové délce 800 nanometrů většinou tkáně buňky absorbováno s výjimkou několika stovek mitochondrií, které rozptylují 90 až 90 procent světla. Analýzou rozptylu tohoto světla mohu výzkumníci zjistit rozložení mitochondrií v buňce a tím okamžitě určit, zda buňka je zdravá (v tomto případě jsou mitochondrie soustředěny kolem buněčného jádra) nebo rakovinná (v tomto případě jsou mitochondrie volně rozptýleny uvnitř buňky). Tento proces je velmi přesný, pracuje mnohem rychleji než klasické metody a nevyžaduje běžnou přípravu buněk pomocí chemických činidel nebo fluorescentních molekul. Spoluautor této metody Bob Naviaux z Kalifornské univerzity v San Diego k tomu uvedl, že tato metoda s použitím biodutinového laseru by mohla velmi rychle určit různé stavy kmenových buněk a jejich přeměnu ve zralé rozlišené buňky. [X1]

Laboratoř Sidneyho Nagela na Univerzitě v Chicagu zkoumá chování kapének tekutin, jak a kdy odpadají ze zrnitých povrchů, jak se rozstřikují a další dosud obtížně vysvětlitelné jevy. Na zasedání Americké fyzikální společnosti koncem března 2005 Nagelův bývalý student Lei Xu popsal překvapivý objev týkající se všem známého fyzikálního jevu, rozstřikování kapek při dopadu na plochý povrch. Za běžných atmosférických podmínek když kapka vody dopadne na plochý povrch, rozstříkne se do stran a zároveň se zvedne tiáře podobná koruna kapének. Snížením atmosférického tlaku však rozstřikování kapének směrem vzhůru je překvapivě slabší a při tlaku asi jedné pětiny běžného atmosférického tlaku zcela vymizí. [X2] Zřejmě přítomnost molekul vzduchu působí na kapilární soudržnost kapénky, která se změní, pokud atmosférický tlak poklesne.

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 725. April 1, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Dosud nejmenší elektrický motor na světě sestrojili fyzikové Kalifornské univerzity v Berkeley. Motor je založen na pohybu atomů mezi dvěma kapénkami kovu, jedné velké a jedné malé, které jsou upevněny na uhlíkové nanotrubičce. Elektrický proud procházející nanotrubičkou způsobuje, že atomy se pohybují z velké kapénky na malou. Potenciální energie se však uchová v menší kapénce ve formě povrchového napětí. Proto menší kapénka roste, až se začnou obě kapénky dotýkat. Pak se shromážděná potenciální energie náhle vybije, když větší kapénka zpět absorbuje své atomy pomocí nově vytvořeného hydrodynamického kanálu. Toto zařízení vytváří "relaxační oscilátor" s nastavitelnou operační frekvencí. Pokud se tento oscilátor připojí k mechanickému zařízení, může fungovat jako motor pro pohon nanomechanických strojů. [X1]

Maximální pulsní výkon zařízení je 20 mikroWattů. Pokud však uvážíme, že zařízení má rozměry menší než 200 nm, pak hustota výkonu je 100 miliónkrát vyšší než u motoru V6 v automobilu Toyota Camry o výkonu 225 koňských sil. Chris Regan [M1], člen skupiny Alexe Zettla na Univerzitě v Berkeley oznámil tento a další výsledky na zasedání Americké fyzikální společnosti v Los Angeles koncem března 2005 a v časopise Applied Physics Letters ze dne 21. března 2005.

Proteinový biotranzistor vyvinuli fyzikové střediska INFM-S3 v italské Modeně. Metaloproteiny, bílkoviny obsahující atomy kovů, pomáhají přenášet elektrony mezi molekulami. Zajišťují nezbytné úlohy v souvislosti se zdroji chemické energie při dýchání, fotosyntéze a pro enzymy katalyzovaných reakcí. Obsahují vedlejší řetězce aminokyselin, které zajišťují potřebné chemické vazby. Proč však nevyužít vlastnosti metaloproteinů, které slouží k přežití živých buněk, pro digitální zpracování informace? Paolo Facci [M2] a jeho kolegové použili bakteriální protein azurin ve strategické pozici mezi dvěma elektrodami ze zlata, kde slouží jako zdroj a kanál tranzistoru. Třetí elektroda, sloužící jako hradlo, zajišťuje, aby uprostřed umístěný azurin vedl elektrický proud. Celý proces probíhá ve vlhkém prostředí. Tato bioelektronická součástka představuje proteinový biotranzistor. Facci je přesvědčen, že po připojení bio-anorganických elektrod bude možno jeho biotranzistor použít v různém vlhkém prostředí, jako jsou rozhraní mezi nervovou tkání a elektronikou nebo pro sledování signálů v živé buňce. (Alessandrini et al., Applied Physics Letters, 4. dubna, 2005)

Velký urychlovač hadronů LHC (the Large Hadron Collider) bude nejmocnějším urychlovačem částic. Podle předpokladů by měl být uveden do provozu v roce 2007. Oba protonové paprsky s energií 7 TeV budou obsahovat 2808 svazků a každý svazek bude obsahovat asi 100 miliard protonů o celkové energii 362 MJ, která je dostatečná k roztavení 500 kg mědi. Co se však stane, pokud se některý z paprsků náhodně odchýlí a narazí na pevný povrch, jako je vodící potrubí paprsku nebo magnet? Při studiu této možnosti vědci simulovali poškození materiálu, k němuž by došlo. (V případě krajní nouze by měl být paprsek odchýlen a odveden do zvláštní tlumící komory.) Počítačová simulace především ukázala, že protonový paprsek je schopen proniknout do měděného pevného materiálu do hloubky až 30 metrů, což odpovídá velikosti dvou obřích supravodivých magnetů. Dále simulace ukázala, že paprsek v materiálu nevytvoří pouze díru, ale plasmu s velmi vysokou hustotou (až 10 procent hustoty pevné látky) avšak s nízkou teplotou (asi 10 eV). Tato plasma se označuje jako silně vázaná plasma. Jednou z možností, jak studovat tuto zvláštní plasmu, je úmyslně vyslat protonový paprsek z urychlovače LHC do pevného terčíku, který by přešel do stavu s vysokou hustotou energie, aniž by bylo nutné použít rázové stlačení. Tato nová metoda by při studiu plasmy byla vysoce účinná. (Tahir et al., Physical Review Letters, duben 2005; kontakt: Naeem Tahir, laboratoř GSI, Darmstadt, [M3])

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 726. April 7, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Za normálních okolností se teplo šíří z horkého místa do chladnějšího okolí. V novém typu termoelektrického chlazení, který navrhli Tammy Humphrey (University of Wollongong, Austrálie) a Heiner Linke (University of Oregon) se tepelné nerovnováhy dosahuje prostřednictvím elektrochemické nerovnováhy. Jednou z aplikací by mohly být elektrické chladničky bez pohyblivých částí (motorů a chladících látek, jako jsou freony).

Teplo a elektřina jsou dvě formy energie. Ve zvláštním obvodu zhotoveném z termoelektrických materiálů rozdíl teplot může vytvářet elektrický proud a naopak rozdíl napětí by mohl vytvářet rozdíl teplot. Thermoelektrický obvod se obvykle skládá ze dvou polovodičů spojených dvěma přechody. Jeden z polovodičů je typu P s nadbytkem kladně nabitých děr, druhý je typu P s nadbytkem záporně nabitých elektronů. To je příčinou, proč lze vytvářet teplo a elektrický proud. V Peltierově jevu nerovnováha napětí vytlačuje elektrony a díry z jednoho přechodu. Proto se tento přechod ochlazuje, zatímco druhý přechod se zahřívá. V Seebeckově jevu nerovnováha teplot mezi přechody uvádí do pohybu elektrony a díry, takže vzniká elektrický proud. Peltierův jev lze využít například pro chlazení kritických čipů. Seebeckův jev se používá pro napájení elektronických systémů kosmických sond, které se nacházejí příliš daleko od Slunce, takže nelze využít fotobuňky. Zdrojem tepla je radioaktivní materiál. Širšímu využití těchto termoelektronických součástek brání jejich velmi nízká účinnost, obvykle asi 10 procent. Jedním z hlavních problémů je zajistit, aby se teplo použité na jednom přechodu k vytváření elektrického proudu nešířilo elektrony k druhému přechodu. Proto se hledají materiály, které mají vysokou vodivost elektrického proudu, avšak nízkou tepelnou vodivost elektronů.

Právě takový obvod Tammy Humphrey [M1] a Heiner Linke navrhli. Vrstvy typu N a typu P v obvodu nejsou složeny z kusů polovodičů, ale z kvantových teček, nanoskopických kousků hmoty, jimiž mohou procházet jen elektrony s určitými energiemi. Lze proto vytvořit kvantové tečky, jimiž nebudou procházet elektrony s vyšší energií nesoucí tepelnou energii. Nejvyšší účinnost termoelektronických obvodů je 10 procent. Pokud by se podařilo dosáhnout účinnosti alespoň 50 procent, taková termoelektronická zařízení by mohla soutěžit s běžnými chladícími stroji, protože by měla tichý chod, menší velikost, neobsahovala by žádné chladící médium (jako je freon) a měla by mnohem delší životnost. Zřejmě by tato zařízení v budoucnu nahradila také domácí chladničky. (Physical Review Letters, 11. března 2005; webové stránky laboratoře [X1], [X2])
 

Chlazení kusového materiálu se podařilo dosáhnout chladícím zařízením s pevnou fází, které tedy nepoužívá kapalnou nebo plynnou chladící látku. Jádrem zařízení NIST-Boulder je malá dioda, jejímiž vrstvami jsou postupně normální kov, nevodič a supravodič. Toto uspořádání způsobuje, že nejteplejší elektrony jsou odváděny z vrstvy normálního kovu. Zařízení bez pohyblivých částí není prvním zařízením, které dosáhlo teplot jen 100 mK, ale je prvním technologicky užitečným chladícím zařízením. Tato mikrochladnička je schopna ochladit krychličku germania o hraně 250 mikronů a hmotnosti 80 mikrogramů. Na jedné straně jde o velmi malé množství hmoty, avšak na druhé straně jde o velké množství vzhledem k velikosti polovodičových přechodů. Poměr objemu krychličky k objemu přechodů je 11000. Tento poměr si lze představit, jako by chladnička velikosti člověka chladila kusový materiál o velikosti Sochy svobody v New Yorku. V předběžných testech se podařilo ochladit krychličku z 320 mK na 240 mK. Vědci očekávají, že se jim podaří teplotu snížit téměř na 100 mK. Podle fyzika z NIST Joela Ulloma [M2] jejich chladnička pracuje nejlépe při teplotách nižších než 1 K, což rozhodně nelze použít pro chlazení potravin. Avšak může být velmi užitečná pro chlazení mikroelektronických na čipech a vzorků do velikosti až 1 cm. (Clark et al., Applied Physics Letters, duben 2005)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 727. April 14, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Jaderní fyzikové prokázali, že hmota ve vesmíru se v době několik mikrosekund po velkém třesku skládala z kvark-gluonové plasmy. K tomuto závěru dospěli na základě experimentů, které prováděli po dobu více než pěti let na srážkovém urychlovači relativistických těžkých iontů RHIC (the Relativistic Heavy Ion Collider) v americké Národní laboratoři v Brookhavenu na Long Islandu. Vědci zde mimo jiné modelují mladý vesmír krátce po velkém třesku pomocí srážek těžkých iontů s vysokou energií. V té době ještě neexistovaly atomy, které vznikly asi 400 tisíc let po velkém třesku, ani jádra atomů vodíku a hélia, která vznikla asi minutu po velkém třesku, dokonce ani protony, které vznikly několik desítek mikrosekund po velkém třesku.

Z kvark-gluonové plasmy se začaly tvořit skupiny kvarků, mesony (kvark a antikvark) a baryony (tři kvarky různých barev). Mesony a baryony (společně označované jako hadrony) jsou udržovány pohromadě pomocí gluonů, které zprostředkovávají silnou jadernou interakci. Baryony (jako jsou protony a neutrony) jsou stavebními bloku každého atomového jádra. Mohou být hadrony znovu rozloženy na kvarky? Lze atomové jádro ostřelovat tak mocně, aby vznikla plasma z kvarků a gluonů? Na tyto otázky hledá odpověď právě relativistický srážkový urychlovač těžkých iontů RHIC.

V urychlovači RHIC se používají dva protisměrné paprsky iontů atomů zlata, tedy atomů zbavených všech elektronů. Tyto paprsky se navzájem srážejí v několika interakčních zónách podél kruhového prstence urychlovače. Každé jádro je svazkem 197 protonů a neutronů a dosahuje energie až 100 GeV. V okamžiku, kdy se dva "zlaté projektily" čelně srazí, se uvolní celková energie asi 40 TeV. Z této energie asi 25 TeV poslouží jako zdroj energie pro vznik nových částic v rozžhaveném místě srážky. Výzkumníkům se podařilo vytvořit asi 10 tisíc nových částic. Snímky těchto srážek a stop částic lze nalézt na webových stránkách [X1].

Vylétávající svazky částic poskytují rozhodující důkazy pro určení vlastností místa srážky. Kvůli zachycení všech částic ze srážky těžkých iontů musí být detektory RHIC velmi rychlé. Vznik prostředí podobného kvarkovému období vesmíru je velmi vzácné a trvá pouze několik násobků 10^-24 sekundy. Velikost místa srážky je asi 5 femtometrů a jeho hustota je asi stokrát vyšší než hustota běžného atomového jádra. Jeho teplota dosahuje asi 175 MeV. Srážkový urychlovač byl sestrojen právě kvůli vytvoření takového velmi horkého a hustého místa srážky. Avšak je schopen skutečně vytvořit kvark-gluonovou plasmu? Výsledky ukázaly, že místo srážky se nijak nepodobá plynu a z místa srážky vylétávají mocné paprsky mesonů a protonů.

V roce 2005 se poprvé od provedení prvních jaderných srážek v urychlovači RHIC v roce 2000 všem čtyřem detekčním skupinám podařilo shodnout na společném závěru na základě dostatečného množství získaných dat. Vědci jsou přesvědčeni, že místo srážky obsahuje tekutinu silně interagujících kvarků a gluonů a nikoliv plyn slabě interagujících kvarků a gluonů. Tyto výsledky oznámil Garry Westfall (Michiganská státní univerzita) na zasedání Americké fyzikální společnosti v dubnu 2005 v Tampa na Floridě. Dále byly tyto výsledky oznámeny několika vědci RHIC na tiskové konferenci.

Fyzik Samuel Aronson z Brookhavenu uvedl, že zařízení RHIC bude schopno prozkoumat některé vlastnosti kvark-gluonové plasmy ve velmi mladém vesmíru, jako je tepelná kapacita tekutiny a její reakce na rázové vlny. Kapalina je velmi hustá avšak má velmi malou viskozitu. Teče tak volně, že se chová téměř jako ideální tekutina, jejíž vlastnosti lze popsat standardními zákony hydrodynamiky. Kvark-gluonová kapalina se tedy chová spíše jako klasická tekutina a nikoliv jako supratekutina, jejíž vlastnosti (včetně nulové viskozity) se řídí kvantovou mechanikou.

Jedním z důvodů, proč vědci RHIC tak dlouho váhali s nějakým konečným prohlášením, byla klíčová otázka, zda pozorovaná jaderná tekutina je složena ze skutečně volných kvarků a gluonů nebo z kvarků uvězněných v hadronech nebo dokonce ze směsi volných kvarků a hadronů. Podle Williama Zajce (Kolumbijská univerzita) a mluvčího detekční skupiny PHOENIX pozorované obrazce částic vylétávajících z místa srážky naznačují, že mezi nimi jsou také těžší částice obsahující půvabný kvark, jako jsou D-mesony. Tento fakt podporuje hypotézu, že místo srážky skutečně obsahuje kvarkovou a gluonovou tekutinu.

Hlavními výsledky tedy jsou:

1. Vesmír několik mikrosekund po velkém třesku obsahoval tekutinu kvarků a gluonů.
2. Srážkový urychlovač RHIC je schopen vytvářet malé vzorky této počáteční fáze vesmíru pro další podrobné studium.
3. Tyto výsledky potvrdily všechny čtyři detekční skupiny.

Všechny čtyři skupiny publikovaly své zprávy v časopisu Nuclear Physics A. Přetisky těchto zpráv jsou uvedeny na [X2] (skupina BRAHMS), [X3] (skupina PHENIX), [X4] (skupina PHOBOS) a [X5] (skupina STAR)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 728. April 20, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.