A tökéletes kvarkfolyadék apró cseppjei

2018.12.11.
A tökéletes kvarkfolyadék apró cseppjei
A Relativisztikus Nehézion-ütköztető (RHIC) PHENIX kísérletének legújabb eredményei 2018. december 10-én jelentek meg a Nature Physics folyóiratban, minden korábbinál erősebb kísérleti bizonyítékot szolgáltatva arra, hogy miniatűr részecskék atommagokkal való ütközésekor létrehozhatóak a világegyetemünket az ősrobbanás utáni pillanatokban kitöltő tökéletes kvarkfolyadék cseppei. A felfedezéshez kapcsolódóan Csanád Máté, a PHENIX-Magyarország kutatócsoport tudományos vezetője tartott előadást a 18. Zimányi Nehézionfizikai Téli Iskolán, ahol a tudományterület más aktuális eredményeiről is beszámoltak a résztvevők.

A PHENIX legújabb cikkében atommagok három különféle lövedékkel (protonnal, két nukleonból álló deuteronnal, illetve három nukleonból álló hélium-3 maggal) való ütközését vizsgálták. A kutatók észlelték az ütközésekben keletkezett „repeszdarabok” áramlási mintázatait, és erős korrelációt láttak az ütközés kezdeti geometriájával. Ezt a legjobban azzal lehet magyarázni, hogy kvark-gluon plazma keletkezett ezekben a kis ütköző rendszerekben.

A tudósok azért tanulmányozzák ezt a kvarkokból és gluonokból (a protonok és a neutronok, azaz a nukleonrészecskék építőköveiből) álló forró levest, hogy többet megtudjanak arról az alapvető kölcsönhatásról, amely a világunkat felépítő látható anyagot alkotó részecskéket összetartja. Az ősleves (szakmai nevén kvark-gluon plazma) apró cseppjeinek létrejötte nem várt jelenség, amely betekintést nyújthat a különleges anyag alapvető tulajdonságaiba.

„Ez a munka annak a kísérletsorozatnak a kiteljesedése, amelyet a kvark-gluon-plazma cseppek különféle alakban való megjelenésének vizsgálatára terveztek”– mondta Jamie Nagle PHENIX-tag, a Coloradói Egyetem (Boulder, USA) kutatója, aki részt vett a kísérlet megtervezésében és abban az elméleti szimulációs munkában is, amelyet az eredmények ellenőrzésére használtak.

A PHENIX együttműködés legfrissebb cikke átfogó elemzést tartalmaz olyan atommag-ütközések adatairól, amelyek során egy kis atommag (proton, két nukleonrészecskéből álló deuteron, vagy három nukleonrészecskéből álló hélium-3 mag) ütközött egy nagy, arany atommaggal. A csoport az ütközések során keletkezett részecskéket követve arra keresett bizonyítékot, hogy a mozgásukban található különféle mintázatok összefüggésbe hozhatók az ütköző rendszer eredeti geometriájával (ahogy az várható, ha az ütközések során valóban létrejön a tökéletes folyadék, a kvark-gluon-plazma).

„A Relativisztikus Nehézion Ütköztető az egyetlen gyorsító a világon, ahol ilyen pontosan felépített kísérlet elvégezhető: egy-, két-, és háromkomponensű atommagok ugyanazon nagy atommaggal (arany maggal), ugyanakkora energián történő ütköztetése csak itt lehetséges” – mondja Nagle.

A PHENIX kutatócsoportja összehasonlította a mérési eredményeiket hidrodinamikán alapuló elméletekkel (amelyek megfelelően leírják az arany-arany ütközésekben keletkező kvark-gluon-plazmát), illetve a kvantummechanikai gluonkölcsönhatáson alapuló elméletekkel is.

A kutatók azt találták, hogy az adatokhoz leginkább a kvark-gluon-plazma leírás illeszkedik

– a kvantummechanikai gluonkölcsönhatásokon alapuló elméleti jóslat viszont (hatból két mintázat esetén) nem ad megfelelő leírást az adatokra.

A kutatók a továbbiakban a kisméretű ütközések során elért hőmérsékletet fogják meghatározni. Ha az ütközések során létrejövő anyag elég forrónak bizonyul, ezek a mérések további bizonyítékai lehetnek a kvark-gluon-plazma létrejöttének.

Ezekre az eredményekre a PHENIX vezetői már a 2013-as Budapesti Zimányi konferencián is utaltak. Ahogy az akkori sajtóközlemény fogalmaz: "Jacak professzor asszony az ELTE Fizikai Intézet Ortvay Kollokviumának és a Zimányi Nehézionfizikai Téli Iskola közös programjának keretében a PHENIX kísérlet legújabb eredményeit (Budapesten már rögtön az adatfelvétel után, azaz 2013-ban) ismertette, mely szerint a tökéletes kvarkfolyadék kis cseppjei nem csak a nagy arany atommagok, hanem már kicsi deuteron és a nagy arany atommag 200 GeV-es ütközéseiben is megjelennek. Erről a fontos tudományos eredményről az USA Brookhaveni Nemzeti Laboratóriuma sajtótájékoztatót tartott 2013 december 6-án, a Zimányi Nehézionfizikai Téli Iskola ideje alatt, fényképekkel és számítógépes animációkkal is illusztrálva a jelenség fontosságát."

Egy kapcsolódó, és szintén nemrégen, 2018. november 29-én a Physical Review Letters folyóiratban megjelent PHENIX-es publikációban pedig azt vizsgálták, hogy a keletkező részecskék előre- és hátraszórási mintázatai mennyire követik a folyadékdinamikai jóslatokat. „Mindezek az eredmények arra utalnak, hogy a kis ütköző rendszerekben (ahol az egyik ütköző atommag csak egy vagy két protont tartalmaz) is nagyon érdekes fizikai folyamatok zajlanak, és egyre inkább ezek is a kutatások fókuszába kerülnek. Segítségükkel még jobban megérthetjük, mi irányítja azt a tökéletes kvarkfolyadékot, amely a világegyetemet első milliomod másodpercében kitöltötte” – mondja Csanád Máté, az ELTE Atomfizikai Tanszékének docense. A PHENIX-Magyarország csoport tudományos vezetője a fenti eredmények publikálásának belső ellenőrzésében vett részt, és a munkáról Budapesten, a 18. Zimányi Nehézionfizikai Téli Iskolán, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Részecske és Magfizikai Intézet és az ELTE Fizikai Intézet közös nemzetközi konferenciáján számolt be.

A konferencia névadója néhai Zimányi József Széchenyi-díjas fizikus, a Magyar Tudományos Akadémia rendes tagja, a hazai és a nemzetközi nehézionfizikai kutatások egyik úttörője. Az Iskola szervezőbizottságának elnöke Csanád Máté, társszervezői Ván Péter és Kovács Péter, az MTA Wigner FK munkatársai. A december 3. és 7. között megrendezett Téli Iskolán a 23 országból érkezett résztvevők 87 előadást hallgattak meg, áttekintve a laborban létrehozott ősrobbanással foglalkozó nagyenergiás nehézionfizika legújabb tudományos eredményeit. 

Michael Tannenbaum (Brookhaveni Nemzeti Laboratórium, USA) előadása a konferencián

A hét során további fontos eredményeket is bemutattak. Ezek közül is kiemelkedő jelentőségű felfedezés az, amelyre a CERN LHC TOTEM kísérletének adatai utalnak. A rugalmas proton-proton ütközéseket vizsgálva a TOTEM kutatói megállapították, hogy az eredmények kompatibilisek egy újfajta részecske, az úgynevezett Odderon közvetítésével lezajló kölcsönhatás jelenlétével. Ezeket a TOTEM eredményeket Nemes Frigyes (CERN, Svájc és MTA Wigner FK) mutatta be, aki a mérési adatok elemzésének és több, az Odderon felfedezését jelentő TOTEM kézirat előkészítő bizottságnak a vezető kutatója. A TOTEM-ben résztvevő magyar csoport (MTA Wigner FK, Eszterházy Károly Egyetem és ELTE) vezetője, Csörgő Tamás (MTA Wigner FK) a TOTEM szerkesztőbizottságának (Editorial Board) tagja az adatokból levonható további következtetésekről beszélt, melyek szerint az LHC rugalmas proton-proton ütközéseiből egy új, modell-független elemzés segítségével először vált láthatóvá nem csak az Odderon, hanem a protonok alkotórészeinek a szerkezete is: egy kisebb és egy nagyobb alszerkezet látszik a protonokon belül, melyeket valószínűleg a kvarkokkal és a dikvarkokkal lehet azonosítani. Ezen eredmények véglegesítéséhez a TOTEM program folytatása és további vizsgálatok szükségesek. Roy A. Lacey (Stony Brook University, USA) professzor az erős kölcsönhatás (kvantumszíndinamika, QCD) fázisait térképezte fel; arról számolt be, hogy a BNL STAR és PHENIX kísérleteinek adatait felhasználva, a "véges méret skálázás" módszerével immár kézzelfogható közelségbe került a kritikus pont részletes azonosítása. A nagyenergiás nehézion-fizika utóbbi évtizedének ez egyfajta szent grálja, és a BNL gyorsítókomplexumában kifejezetten ezt a kérdést vizsgálják majd a következő években.

A PHENIX Magyarország együttműködés honlapja ezen a címen érhető el. A Zimányi Iskola előadásait pedig itt böngészhetik az érdeklődők.