Kõike saab osadeks lõhkuda, tuleb vaid hästi tugevalt raputada.
Buddha viimased sõnad

Kõrgete energiate eksperimentaallaborites on saadud kvark-gluuonplasma – aine olek mõned mikrosekundid pärast Suurt Pauku.

Meie kujutluste kohaselt võib maailma enam-vähem kolmeks jaotada.

Üks – see keskmine – oleks maailm, kus me elame, mille asju-esemeid ja sündmusi me tajume oma meeltega ning mida me mõõdame ruumis ja ajas meetrite ja sekunditega.

Uuriv inimvaim ja mõistus on meeleliselt tajutavat lähi- ehk olmemaailma tunduvalt laiendanud, on meid viinud uutesse maailmadesse: väiksesse – mikromaailma, ja suurde – Universumisse, mida uurivad füüsika ja astronoomia. Täpsemalt piiritledes – aine süvaehitust uurib aatomi-, tuuma- ja osakestefüüsika, Universumit astrofüüsika ja kosmoloogia.

Mõtteseiklused Universumis ja mikromaailmas

Esimesed uute maailmade uurijad olid “mõtteseiklejad”, nii võiks vahest nimetada vanaaja loodusfilosoofe ja mõttetarku, samuti hilisemaid spekulatiiv-teoreetikuid. Seiklused mõtete radadel on inimestele, kellel selleks kalduvusi, niisama huvitavad ja põnevad nagu päris-seiklusedki avastusretkedest aferistlike ettevõtmisteni välja. Mingil määral on mõtteseiklejad ka tänapäeva fundamentaalteoreetikud ja kõik teaduse eesliinil töötavad uurijad.

Kui silmaga nähtavad taevakehad välja arvata, olid need uued maailmad inimmeeltele kättesaamatud ja iga natuurfilosoofist mõtteseikleja võis oma peas konstrueerida uusi maailmu sellistena, nagu seda lubas tema fantaasia. Seda tuli teha ka nähtava taeva korral, sest keegi ju ei teadnud, mida need säravad punktikesed endast kujutavad. Neid ei piiranud eriti miski peale loomuliku mõtlemise loogika, mille reeglid kujunesid välja Antiik-Kreekas.

Aja jooksul, eriti aga pärast teadusliku uurimismeetodi väljakujunemist Galileo Galilei ja Isaac Newtoni aegadest peale, hakkasid uued maailmad omandama järjest selgemaid piirjooni. Umbes nii nagu uute maade hõivamiselgi, järgnes siingi avastajatele-seiklejatele süstemaatiliselt tegutsev “kolonisaatorite” armee – füüsikud-eksperimentaatorid ja astronoomid-vaatlejad, kes töötasid välja järjest uusi vahendeid inimmeelte jätkamiseks tundmatute piirkondade “kompimisel”. Need olid eeskätt mikroskoobid, teleskoobid jms. Enam ei saanud mõttetargad konstrueerida suvalisi maailmu, nad pidid juba arvestama tegelikkusega, sellega, mida olid leidnud nende eelkäijad.

“Väikses” ehk mikromaailmas oli esimeseks kindlamaks saavutuseks aine atomaar-molekulaarne struktuur koos keemiliste elementide perioodilisusseadusega –Mendelejevi tabeliga. “Suures maailmas” ehk Universumis olid esimesteks suuravastusteks Kopernikuse maailmasüsteem ja tähtede kauguste mõõtmine, mille tagajärjel taevasfäär kui kerapind asendus kosmilise ruumi sügavusega. Astronoomia muutus kahemõõtmelisest kolmemõõtmeliseks.

Mikromaailmas oleme tänaseks jõudnud molekulidest alates juba viienda struktuuritasemeni: molekul — aatom – aatomituum (+elektronid) — nukleon (prooton või neutron) — kvargid ja leptonid. Kosmoloogias aga ettekujutuseni Universumi sünnist ja arengust.

Kaua aega on need uued maailmad, “väike” ja “suur” nagu teineteisest lahus seisnud – üks on aine süvastruktuur, teine hiigelulatusega Universum. Loomulik ja ilmne suhe on muidugi see, et suure maailma objektid koosnevad väikse maailma alusosakestest. Kui aga tekkis ettekujutus Universumi sünnist, tekkis ka probleem alusosakeste päritolust. Olid nad siis kusagil juba valmis kujul olemas või tekkisid mingil kujul koos Universumiga ja arenesid-muundusid koos Universumi arenguetappidega?

On loomulik oletada, et maailm on ühtne. Ja tõepoolest, loodusteaduste areng on näidanud, et meie tavamaailm, see uute maailmade “vaheline” kui ka Universumi meile nähtav osa koosnevad ühtedest ja samadest ehituskividest, mida seob üks ja sama mört. Mikromaailm on igal pool ühesugune, kus me ka aine ehitusse ei süüviks, kas siin Maal või kolme miljoni valgusaasta kaugus Andromeeda udu mingi tähe mingil planeedil. Ja kui kusagil peaksidki leiduma mingid eksootilised ainevormid, nagu varjatud mateeria, ekstradimensioonid, teised Universumid või midagi muud, siis peaksid need ikka samuti sobima maailmahoone ühtsesse süsteemi.

Sellele füüsikalise maailma ühtsuse ideele on aga esitanud tõelise väljakutse hiljutised avastused kosmoloogias. Kuni möödunud sajandi 1970. aastate alguseni arvati, et peaaegu kogu aine, vähemalt 95 protsenti sellest, on koondunud tähtedesse. Praeguseks on olukord drastiliselt muutunud. Esiteks leiti (siin olid kaasavastajateks Tõravere tähetargad eesotsas akadeemik Jaan Einastoga), et paljud galaktikad on umbes kümme korda raskemad, kui seda võiks arvata nende heleduse järgi. Selle nähtuse kõige lihtsam seletus oleks mingi senitundmatu varjatud ehk tume aine (tumeaine), millest siis koosnevad galaktikate nähtamatud kroonid (vt viide 1). Veelgi rabavam oli Universumi paisumise kiirenemise avastamine 1998. aastal supernoovade vaatlustest, mille seletamiseks pakuti välja salapärane varjatud ehk tume energia (tumeenergia). Praeguste hinnangute kohaselt moodustab nähtav aine, see, mida kirjeldab osakestefüüsika Standardmudel (vt viide 2), ainult 4 protsenti Universumi aine-energiabilansist, tumeaine 23 protsenti ja tumeenergia 73 protsenti.

Käesolevas artiklis me veel ei oska arvestada neid muutusi, mida need uued nähtused võivad põhjustada kosmoloogia Standardmudelis tavalise Suure Paugu pildiga.

Olemise väravas: Suur Pauk ja Plancki maailm

Tänapäeva täppis-loodusteaduste, astronoomia ja füüsika suurimaks saavutuseks on uute maailmade kokkuviimine nende sünnihetkesse, “olemise väravasse”, mille lävel tekkisid aegruum ja selles edasiarenevad osakesed.

Moodne ja teaduslik (!) muinasjutt maailma loomisest on umbes järgmine. Meie praegune paisuv Universum miljardite “laialijooksvate” galaktikatega tekkis millalgi umbes 15 miljardit (viimaste andmete kohaselt 13,7 miljardit) aastat tagasi mingist kummalisest ja meie ettekujutustele adumatust algolekust. See pidi olema “peaaegu punkt” mõõtmetega 10 astmes -33 cm. Kust küll selline üliväike pikkus või vahemaa? Sellel, nn Plancki pikkusel on huvitav saamislugu, mis algab Max Plancki tööga aastast 1899, aasta varem Planckile kuulsuse toonud kvantmehaanika alustöödest. Tänapäevaks on see meid viinud fundamentaalfüüsika kõige põnevamasse, aegruumi tekke ja kvantgravitatsiooni valdkonda, mida vahel nimetatakse ka Plancki maailmaks. Öeldakse, et füüsika ja filosoofia kohtuvad Plancki maailmas. See on tõeline olemise värav.

Mainitud töös tõi Planck füüsikasse nn loomulikud ühikud, mis pidid “säilitama oma tähtsuse kõikide aegade ja kõikide kultuuride, ka maaväliste jaoks” [mõeldud on ilmselt siiski kultuure, mis on võimelised arendama füüsikat]. Ta tuletas need ühikud pikkuse, aja, massi ja temperatuuri jaoks dimensioonkaalutlustest, lähtudes temale teadaolevatest universaalkonstantidest – Newtoni gravitatsioonikonstandist, valguse kiirusest, termodünaamikat valitsevast Boltzmanni konstandist ja talle endale juba tollal teadaolevast konstandist, mis sai kuulsaks alles poolteist aastat hiljem ja mida praegu tuntakse Plancki konstandi nime all. Nii sai ta pikkusühikuks (Plancki pikkuseks) ligikaudu 1,6 x 10 astmes -33 cm, aja ühikuks (Plancki ajaks) ligikaudu 5 x 10 astmes -44 s, massi ühikuks (Plancki massiks) ligikaudu 2 x 10 astmes -5 g ja temperatuuri ühikuks (Plancki temperatuuriks) ligikaudu 1,4 x 10 astmes 32 K . Hiljem toodi sisse ka Plancki tihedus ligikaudu 5 x 10 astmes 93 g/cm3 ja Plancki massile vastav Plancki energia ligikaudu 10 astmes 19 GeV. Plancki suuruste täpsus oleneb sellest, kui täpselt on teada fundamentaalkonstandid. Tänapäeval kirjutatakse Plancki suurused kolme kohaga peale koma.

Plancki aega ja pikkust tõlgendatakse praegu kui aegruumi kvante – Plancki aeg on aja kvant, vähim ajavahemik üldse, Plancki pikkus aga ruumilise pikkuse kvant, vähim ruumiline ulatus üldse. Me võime nüüd siis oma Universumi-idu kohta öelda, et see oli Plancki mõõdetega, Plancki temperatuuri ja tihedusega. Universumi ajalugu on jälgitav Plancki ajast peale, mil tema suuruseks oli Plancki pikkus, temperatuuriks ja tiheduseks samuti vastavad Plancki suurused. Kui ajalis-ruumilised mõõdud on imeväikesed, siis temperatuur ja tihedus on muljetäratavalt suured.

Mis saab siis edasi? Universumi edasiseks arenguks on välja pakutud hulgaliselt erinevaid stsenaariume, kõikide nende probleemiks on aineliste struktuuride teke. Millised osakesed ja millal tekkisid? Selle kohta on olemas mingi n-ö keskmine arvamus või põhjendatud konsensus (vt viide 3). Ja siitpeale sammuvad uued maailmad – mikromaailm ja Universum – koos.

Kvark-gluuonplasma

Esimene vähegi ettekujutatav kindlam Universumi arengu etapp pärast algmomenti ehk Suurt Pauku oleks ajavahemik femtosekundist kuni 10 mikrosekundini, st 10 astmes -15 s kuni 10 astmes -5 s, kus kvargid ja nendevaheliste jõudude kandjad, gluuonid, moodustavad kvark-gluuonplasma. Kvargid selles on veel poolvabas, nukleonideks ühinemata olekus. Varsti pärast 10 mikrosekundi möödumist kvargid ühinevad nukleonideks ja jäävad sinna tänaseni vangi.

Lühidalt sellest, mida kujutavad endast kvargid. Kui tuumade koostisosi, nukleone, ning kiirenditel tekitatud uusi raskeid ja lühiealisi osakesi, üldnimetusega hadronid, hakati paigutama üksteise kõrvale ja püüti luua midagi analoogilist Mendelejevi tabeliga, moodustusid teatavad sümmeetrilised “kujundid”, mille olemust oli kõige lihtsam seletada, oletades, et kõik need osakesed koosnevad hüpoteetilistest alusosakestest, mida hakati nimetama kvarkideks.

Kvarkide esimeseks rabavaks omaduseks oli nende murruline elektrilaeng, st elektronil mõõdetud elementaarlaengu kolmandik ja kaks kolmandikku. Varsti selgus, et kvargid tõesti pole päris tavalised osakesed. Vaatamata kiirendatavate osakeste energia kasvule, kvarkide väljalöömine ainest ei õnnestunud. Nii kujunes välja kvarkide vangistuse printsiip – kvargid millegipärast ei saagi olla vabas olekus, omaette osakestena. See oli siis esimene kord, kus haamriga tagumine enam efekti ei andnud, “pähklid” enam ei purunenud. Nende siseehituse uurimiseks aga on peenem viis, seesama, mida omal ajal kasutas aatomi ehituse uurimiseks Ernest Rutherford – mitte osakesteks purustamine, vaid osakeste joaga “kompimine”. Rutherford kasutas oma katsetes alfaosakesi. Nukleonide sisestruktuuri kompimiseks läks vaja suure energiaga elektrone, hiljem isegi neutriinosid. 1968. aastal tehtud katses ilmnes nukleoni sisestruktuur, mille osakestelt, kolmelt kvargilt, elektronid hajusid.

Kvarkidest koosnevate osakeste ehituse kirjeldamiseks ja kvarkide vangistuse seletamiseks kujunes välja teoreetilise osakestefüüsika eriharu, kvantkromodünaamika (KKD), mille kohaselt kõik hadronid koosnevad kvarkidest, nendevaheliste “ületamatute” jõudude kandjateks on erilised osakesed, gluuonid.

Pilt oleks siis analoogiline elektrodünaamikaga, kus laetud osakeste vahelist mõju kannavad üle footonid, teiste sõnadega – elektrilaengute vastastikune mõju toimub footonite vahetuse teel. Samuti toimub kvarkide vastastikune mõju gluuonite vahetuse teel, ent mitmetel põhjustel on kvarkidevahelised jõud hoopis iseäralised – nad suurenevad kvarkide vahemaa suurenedes! Peamine põhjustest on see, et värvijõu ülekandjad, gluuonid, kannavad ise värvilaenguid js seetõttu vastastikmõjustuvad omavahel, põhjustades värvimõju jõujoonte kokkutõmbumist värvilaengute

eemaleviimisel.

KKD ennustab, et ülikõrgetel energiatel, niisugustel, mis võiksid olla osakestel üsna vahetult pärast Suurt Pauku, võivad kvargid ja gluuonid esineda kvark-gluuonplasmana, sellisena, nagu juba eespool kirjeldatud. Ons see võimalik vaid Universumi alguses? Tuleb välja, et mitte ainult. See on võimalik ka tänapäeva kiirenditel, kui aga energia on üsna suur. Seda tõendavad aastail 1986–2000 CERN-i tavakiirenditel korraldatud katsed liikumatu märklauaga. Edasi on jätkatud samasuguseid eksperimente põrkuritel, kus vastastikku põrkuvad osakestekimbud.

Osakestefüüsikud-eksperimentaatorid püüavad praegu aine niisugust olekut saavutada kiirendatud raskete raua-, seatina- ja kullaioonide vastastikusel põrkumisel. Pilt oleks siis umbes niisugune – selle asemel, et taguda haamriga mingit alasil lebavat eset, näeme kahte meest, kummalgi haamer käes, püüdmas tabada vastase haamrit. Teine, ja veelgi jubedam eksperiment – selle asemel, et lihtsalt autoga vastu seina või teist seisvat autot sõita, põrutavad kaks autot otsepõrkesse. Osakestefüüsika eksperimendis põrkuvad põrkurites rasked ioonid. Niimoodi on muidugi varemgi põrkuma lastud elektrone ja positrone, elektrone ja prootoneid, prootoneid ja prootoneid, prootoneid ja antiprootoneid, ent kvark-gluuonsupi “keetmiseks” on kõige otstarbekohasemad rasked ioonid – kui kaks niisugust enam-vähem otse teineteisele pihta saavad, on seal põrkumas hulgem nukleone ja võib arvata, et “supp” ehk plasma saab paksem.

Eksperimendid CERN-is ja Brookhavenis

Raskete tuumade põrkekatsed eesmärgiga tekitada kvark-gluuonplasmat (KGP) algasid Euroopa Tuumauuringute Keskuses CERN-is juba 1986. aastal. Raskete tuumade-ioonide kiirendamiseks kasutati seal endist prootonite 400 GeV-ist supersünkrotroni. Brookhaveni Rahvuslaboris valmis 1999. aastal raskete ioonide kollaider ehk põrkur RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider). 2000. aastal katsed CERN-is lõpetati ja need algavad uuesti pärast uue võimsa põrkuri LHC (Large Hadron Collider) valmimist aastal 2006.

Nende eksperimentide võrdlusel on oluline arvestada, et CERN-i senised (1986–2000) eksperimendid tehti kiirendatud tuumade suunamisel liikumatu märklaua pihta, Brookhaveni RHIC ja CERN-i tulevane seade on aga kollaiderid-põrkurid. Efektiivse, st osakeste tekitamiseks mineva energia poolest on RHIC umbes 10 korda võimsam CERN-i prootonite supersünkrotronist, LHC aga omakorda umbes 30 korda võimsam RHIC-ist. Järgnevas kirjeldame lähemalt CERN-i katseid, mille kohta on teada ametlikud lõpptulemused.

CERN-is alustati esialgu kergemate, hapniku, räni ja väävli tuumadega, pommitades nendega liikumatut märklauda, näiteks inglistina (Sn) või kulla (Au) lehekest. Kokkupõrked toimusid siis kiirendatud tuumade ja märklaua tuumade vahel ning neis tekkivaid osakesi püüti võimalikult hästi registreerida. Tekkivate osakeste pildi iseärasuste põhjal osutub võimalikuks otsustada, mis põrkekohas tegelikult toimub. Sellest aga edaspidi täpsemalt.

1994. aastal hakati CERN-is kiirendama juba üsna raskeid, seatina (plii) ioone-nukliide, lastes neil põrkuda samuti seatina, aga ka kulla “liikumatute” tuumadega paigalolevas märklauas. Tüüpilist Pb-Pb põrke järelmelu, kus üliväikses ruumiosas ja ülilühikeseks ajaks tekkinud kvark-gluuonplasma on rekombineerunud hadroniteks, näeme joonisel (vt tükinumber).

Püüame nüüd kirjeldada, mis toimub niisugustel peaaegu valguse kiirusele lähedaste tuumade-ioonide ehk nukliidide põrgetel.

Niisugustel põrgetel surutakse teineteise sisse mitte ainult tuumad, vaid ka tuumade nukleonid, seetõttu pole kvargid enam vangistatud, vaid teatavas kvaasivabas olekus, moodustades koos gluuonitega kvark-gluuonplasma.

Selline aineolek tekib muidugi üliväikeses ruumipiirkonnas (tuuma suurusjärgus) ja ülilühikeseks ajavahemikuks (10 astmes -24 s). Kahe tuuma põrkumisel tekkivat kvarkide, antikvarkide ja gluuonite kogumit nimetatakse vahel ka tulepalliks (ingl fireball).

Tuleme veel tagasi maailma alguse juurde kosmoloogias. Meie Universum on paisumas algolekust, kus energiatihedus ja temperatuur olid “peaaegu” lõpmatud. Ainuke andmekogum, mis meil selle sündmuse – Suure Paugu – kohta olemas, on praeguse vaadeldava Universumi olemasolu. Esimeseks meile praegu kättesaadavaks faasiks ehk olekuks, mida me juba saame uurida laboris, on aine olek, mis tekib vahetult enne femtosekundi (10 astmes -15 s) möödumist ja kestab kuni 40 mikrosekundini (10 astmes –5 s). See on esialgu hüpoteetiline kvark-gluuonplasma faas (ehk olek), mis kujutab endast kvaasivabu, veel mitte vangistatud kvarke. See on tugevalt vastastikmõjustuva aine primaarseim olek. Kuidas see olek tekib millalgi üsna alguses (enne femtosekundit!), pole teada. Universumi edasises arengukäigus läheb see olek üle hadronmateeriaks, kus kvargid on vangistatud. Praegused laborikatsed väga suurtel energiatel põrkuvate raskete tuumadega läbivad selle arengu vastupidises suunas, Universumi alguse poole.

CERN-is 1986–1999 tehtud katsed näitavad, et faasisiire nende kahe oleku vahel toimub temperatuuril, mis on100 000 korda kõrgem kui Päikese keskmes, energiatihedus aga 20 korda suurem kui tavalises tuumaaines. Rõhk aines sellistel tingimustel oleks võrdne umbes 50 Päikese massi survele ühe ruutsentimeetri kohta. See on hoopis midagi muud, kui me üldse oleme osanud ette kujutada.

Kvark-gluuonplasma teket illustreerib arvutisimulatsioon joonisel (vt trükinumber).

Millest me aru saame, et “supp” sai valmis, et kvark-gluuonplasma ikka tekkis?

Osakestefüüsika Standardmudel (SM) ei ütle selle kohta midagi, kvantkromodünaamika kohaselt on kvargid hadronites, sh ka nukleonides, vangistatud (vt viide 4). Kuigi KGP pole registreeritav otseselt, annab äkiline faasisiire normaalsest tuumaainest kvark-gluuonplasmasse ja ülilühikese aja pärast jälle tagasi endast märku mitmete iseloomulike efektide järgi lõppoleku osakeste jaoks, nagu veidrate osakeste suurenenud osakaal, nukleonide “kobarate” teke, iseloomulik gammakiirgus ja müüonpaaride teke. Kõik see annab võimaluse hinnata ja tõestada KGP lühiajalist teket. Kuigi füüsikud on päris kindlad kvark-gluuonplasma tekkimises, oodatakse sellele lõplikku kinnitust eksperimentides CERN-i suurel põrkuril millalgi aastal 2007.

Kas füüsikute hasartmäng, mille panuseks on Maa või koguni terve Universum!?

Ole valmis kohtumiseks Jumalaga! Lõpp on lähedal! Lõpetage hasartmäng Maa ja inimkonnaga! – Niisuguseid loosungeid ja pealkirju võis näha 1999. aasta lõpus mõnel pool USA-s, eriti aga New Yorgis meeleavaldajate käes ja ajaleheveergudel. Rohelisevõitu tegelased ei tundnud enam muret mõne lillekese või putuka pärast, kaalul oli juba Maa ja inimkonna saatus tervikuna, ja võib-olla rohkemgi.

Seoses RHIC-i peatse käikulaskmisega läksid “teadjama” publiku hulgas liikvele mitmed katastroofistsenaariumid, mille kohaselt

– tekib must auk, mis neelab endasse kogu tavalise aine lähikonnas,

– toimub üleminek uude, stabiilsemasse Universumisse,

– tekib nn veideraine (vt viide 5), mis muudab tavalise aine mingiks uueks ainevormiks.

Üldsuse survel asus asja uurima tuntud osakestefüüsikutest koosnev ekspertkomisjon, mille lõpparuande viimane lause kõlas umbes järgmiselt: “Me jõudsime järeldusele, et pole ühtki usutavat mehhanismi, mis viiks katastroofistsenaariumini RHIC-il, ja seega pole ka mingit põhjust kavatsetavate eksperimentide edasilükkamiseks.”

Universumis on selle pika eluea jooksul toimunud üsna palju sama energilisi põrkeid ja vähemalt Universumi endaga pole midagi juhtunud.

Küllalt palju on Kuu pinnasega põrkunud kosmilise kiirguse väga suure energiaga osakesi. Ka Kuu paistab edasi. Lõppude lõpuks on ka veiderdike endi olemasolu täiesti hüpoteetiline.

JAAK LÕHMUS (1937) on füüsika-matemaatikadoktor.

(1) J. Einasto, M. Einasto, J. Jaaniste, M. Jõeveer. Varjatud aine Universumis. Kogumik “Universum” (koost.-toimet. R. Veskimäe), Horisont, Tallinn 1977.

(2) Kogumik “Universumi mikromaailm” (koost.-toim. J. Lõhmus, R. Veskimäe), OÜ Reves Grupp, Tln 2003.

(3) A. Sapar, Universumi varane evolutsioon. Kogumik “Universum”, Tln 1997, lk16–22; H. Õiglane, Füüsikaseaduste evolutsioon, samas, lk 28–35; vt ka kogumikus “Universumi mikromaailm”, Tallinn 2003, lk 11–20.

(4) I. Ots, Elementaarosakesed ja jõud nende vahel ning Kvargid – hadronite vangid. Horisont, 1998/3, lk 7–18 ja kogumik “Universumi mikromaailm”, Tln 2003, lk 225–255.

(5) I. Ots, Kui veider võib olla maailm? Kogumik “Universumi mikromaailm”, lk 259–271.