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

Představ si, že vesmír právě prošel inflací a reheatingem — znovuohřátím, kdy se energie inflačního pole přeměnila na částice a záření. Teď se začíná ochlazovat, ale pořád je to místo, kde bys nechtěl být ani na piknik.

V této fázi je vesmír ještě extrémně horký a hustý. Teplota se pohybuje v řádech bilionů stupňů. V takových podmínkách nemohou existovat běžné atomy ani jádra atomů. Všechno je rozloženo na základní stavební kameny.

Kvark-gluonové plazma

Celý vesmír je v tomto období obrovskou polévkou nazývanou kvark-gluonové plazma.

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

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

Tuto fázi přímo nevidíme — je příliš vzdálená a horká. Ale fyzici ji v laboratoři částečně znovu vytvořili: v urychlovačích jako RHIC v Brookhavenu nebo LHC v CERNu se při srážkách těžkých jader na zlomek sekundy objevuje kvark-gluonové plazma. Je to jeden z nejsilnějších důkazů, že náš popis raného vesmíru směřuje správným směrem.

Hadronizace: když se kvarky „zamknou“

Jak se vesmír dál ochlazuje, volné kvarky už nemohou zůstat osamocené. Silná jaderná síla je uzavře do větších celků — protonů, neutronů a dalších hadronů. Tento proces se nazývá hadronizace (nebo také confinement).

Představ si to jako okamžik, kdy se z chaotické polévky začínají skládat první stabilní „kostky“ materiálu. Zatím ještě ne atomy — jen základní stavební kameny jader.

První částice

Jak se vesmír pomalu ochlazuje, začínají se dít důležité věci. Kvarky se začínají spojovat do větších celků. Vznikají první protony a neutrony. Zároveň existují i jejich antičástice – antiprotony a antineutrony.

Vesmír je v tu chvíli plný hmoty i antihmoty. Když se proton setká s antiprotonem nebo neutron s antineutronem, zaniknou a jejich hmota se přemění na čisté záření — fotony. Tento proces se nazývá anihilace.

V raném vesmíru proběhla obrovská vlna vzájemného ničení. Teoreticky by měly obě strany zcela vymizet a zanechat po sobě jen moře světla bez jediného atomu. Ale nestalo se to.

Baryonová asymetrie – proč existujeme

Tady přichází jedna z největších záhad raného vesmíru.

Kdyby bylo hmoty a antihmoty přesně stejně, vesmír by dnes byl jen mořem světla bez jediného atomu. My bychom tu nebyli. Planety, hvězdy ani život by neexistovaly.

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

Tento jev nazýváme baryonová asymetrie. 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 a patří mezi nejdůležitější otevřené otázky v kosmologii.

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

Co se děje dál

Po této fázi se vesmír dál ochlazuje. Protony a neutrony se začínají spojovat do lehkých jader – deuteria, helia a stopového množství lithia. Tento proces nazýváme primordiální nukleosyntéza a proběhne zhruba od 10 sekund do 20 minut po Velkém třesku.

Vesmír se tak mění z chaotické polévky kvarků a gluonů na místo, kde začínají vznikat první atomová jádra — převážně vodík a helium, ze kterých se později složí první hvězdy i naše Slunce.

Ale to už je další kapitola Kroniky vesmíru. Až mnohem později — zhruba za 380 000 let — přijde rekombinace a první světlo, které dnes vidíme jako kosmické mikrovlnné pozadí. To ale patří do dílů, které nás ještě čekají.