Kronika Vesmíru (2) – Kvark-gluonové plazma a baryonová asymetrie

Inflace skončila. Energie inflačního pole se přeměnila na částice a záření – reheating, znovuohřátí. Vesmír se začíná ochlazovat a pořád je extrémně horký a hustý. Teplota v řádech bilionů stupňů. V takových podmínkách neexistují běžné atomy ani jádra atomů. Všechno je rozložené na základní stavební kameny.

Kvark-gluonové plazma

Celý vesmír je v téhle chvíli obrovská polévka: kvark-gluonové plazma.

Kvarky jsou základní částice, ze kterých jsou složené protony a neutrony. Gluony jsou částice, které drží kvarky pohromadě silnou jadernou silou. Tady jsou kvarky volně pohyblivé, nesvázané do větších celků. Spolu s leptony (elektrony, neutrina a jejich antičástice) tvoří chaotickou směs energie a hmoty.

Tohle plazma existovalo přibližně do 10^-6 sekundy po Velkém třesku – do jedné miliontiny sekundy.

Tu fázi přímo nevidíme. Je příliš vzdálená a horká. Fyzici ji v laboratoři částečně znovu vytvořili: v urychlovačích RHIC v Brookhavenu a LHC v CERNu se při srážkách těžkých jader na zlomek sekundy objeví kvark-gluonové plazma. Je to jeden z nejsilnějších důkazů, že náš popis raného vesmíru míří správným směrem.

Hadronizace: když se kvarky zamknou

Vesmír dál chladne. Volné kvarky už nemůžou zůstat osamocené. Silná jaderná síla je uzavře do větších celků – protonů, neutronů a dalších hadronů. Tomu se říká hadronizace (také confinement).

Z chaotické polévky se skládají první stabilní kostky materiálu. Ještě ne atomy. Jen základní stavební kameny jader.

První částice

Kvarky se spojují do větších celků. Vznikají první protony a neutrony. Zároveň jejich antičástice – antiprotony a antineutrony.

Vesmír je plný hmoty i antihmoty. Proton potká antiproton, neutron antineutron: oba zaniknou a jejich hmota se přemění na čisté záření, fotony. Anihilace.

V raném vesmíru tím prošla obrovská vlna vzájemného ničení. Teoreticky by obě strany měly zcela vymizet a nechat po sobě moře světla bez jediného atomu.

Nestalo se to. Kdyby hmoty a antihmoty bylo přesně stejně, vesmír by dnes byl jen tím mořem světla. My bychom tu nebyli. Planety, hvězdy ani život by neexistovaly.

Baryonová asymetrie – proč existujeme

Přežila malá převaha obyčejné hmoty. Na každou miliardu částic antihmoty připadala přibližně jedna miliarda a jedna částice hmoty. Ten drobný rozdíl rozhodl, že dnes vesmír tvoří převážně hmota.

Říká se tomu baryonová asymetrie. Je to jedna z největších záhad raného vesmíru. Vědci se domnívají, že za ní stojí narušení CP symmetry (charge-parity violation) – jemné porušení symetrie mezi hmotou a antihmotou, které umožnilo, aby po vzájemném ničení zůstala malá převaha hmoty.

Přesný mechanismus ještě plně nechápeme. Patří mezi nejdůležitější otevřené otázky v kosmologii.

Fyzik Andrej Sacharov v roce 1967 formuloval tři podmínky, které musí být splněny, aby baryonová asymetrie mohla vzniknout: porušení zachování baryonového čísla, porušení symetrie C a CP, a vesmír mimo termodynamickou rovnováhu (to v raném horkém vesmíru platilo). Dnešní fyzika umí první a třetí podmínku vysvětlit. Druhá zůstává částečně záhadou.

Co se děje dál

Po této fázi vesmír dál chladne. Protony a neutrony se začínají spojovat do lehkých jader – deuterium, helium a stopové množství lithia. Tomu se říká primordiální nukleosyntéza a běží zhruba od 10 sekund do 20 minut po Velkém třesku.

Z chaotické polévky kvarků a gluonů je najednou místo, kde vznikají první atomová jádra – převážně vodík a helium, ze kterých se později složí první hvězdy i naše Slunce.

Až mnohem později – zhruba za 380 000 let – přijde rekombinace a první světlo, které dnes vidíme jako kosmické mikrovlnné pozadí. To patří do dalších dílů.