Ahol a nukleonok elolvadnak: áttörés a CERN CMS kísérletében
A kutatók régóta tanulmányozzák, hogy a közel fénysebességgel ütköző ólommagok miként hoznak létre egy rendkívül forró és sűrű anyagot, a kvark-gluon plazmát (QGP), amely az ősrobbanás utáni univerzumhoz hasonló állapotot idéz meg. A CMS kísérlet kutatói, köztük az ELTE Természettudományi Kar és a HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont fizikusai most az ólom atommagoknál könnyebb anyagok ütköztetésével elért új eredményekkel közelebb kerültek a QGP keletkezésének megértéséhez, ezáltal az univerzum kezdeti pillanatainak megismeréséhez.
A kvark-gluon plazma nyomában
A QGP megfigyelésének egyik kulcsmódszere az ún. sugárelnyelés (“jet quenching”) jelensége. A nagy energiájú ütközések során keletkező kvarkok és gluonok részecskenyalábokat, úgynevezett "jeteket" alkotnak (1. ábra). Amikor ezek a részecskék áthaladnak a forró és sűrű QGP-n, energiát veszítenek, ami megakadályozza, hogy belőlük további részecskék keletkezzenek. Ezt a jelenséget a kutatók az ún. nukleáris módosítási faktorral (RAA) mérik, amely azt mutatja meg, hogyan aránylik a nehéz atommag-ütközésekben létrejövő részecskék száma a proton-proton ütközésekben mért számokhoz. Mivel a proton-proton ütközésekben nem jön létre QGP, azok referenciaként szolgálnak.
1. ábra: Egy oxigén-oxigén ütközés képe a CMS kísérlet detektorában. A sárga görbék a kirepülő töltött részecskék pályáját, a zöld oszlopok a detektorban leadott energiát, a sárga kúpok pedig a részecskenyalábokat ábrázolják.
Korábban egyértelmű sugárelnyelést csak a nagyon nehéz atommagokkal, például ólommal és xenonnal végzett ütközésekben figyeltek meg A kisebb rendszerekben azonban, mint a proton-ólom ütközések, ez a jelenség hiányzott. A fizikusok számára tehát az volt a kérdés:
vajon mekkora méretű atommagokra van szükség a QGP kialakulásához?
A CMS kísérlet most könnyű atommagokkal, oxigénnel (16O) és neonnal (20Ne) végzett ütközésekkel adott választ.
Áttörés könnyű atommagokkal
Az LHC-n 2025 júliusában felvett adatok első elemzése megerősítette a sugárelnyelés jelenlétét az oxigén-oxigén ütközésekben is (a mért RAA értéke 1-nél sokkal kisebb, helyenként 0,7 alá is lesüllyed (2. ábra)). Ez azt jelenti, hogy még egy ilyen viszonylag kis rendszerben is kialakul a QGP forró, szabad állapota. Ezek az eredmények összhangban vannak az energiaveszteséget is figyelembe vevő elméleti modellekkel.
A kutatás következő lépéseként a neon-neon ütközésekben is elvégezték az első méréseket. Mivel a neonmag (20Ne) kissé nagyobb, mint az oxigénmag (16O), az eredmények összehasonlítása más, nagyobb rendszerek (129Xe, 208Pb) adataival lehetőséget ad arra, hogy modellfüggetlen módon vizsgáljuk a sugárelnyelés méretfüggését.
2. ábra: A töltött részecskék RAA értéke 5,36 TeV energiájú oxigén-oxigén ütközésekben a részecskék ütközésre merőleges irányú lendületének (pT) függvényében. A CMS-mérés szerint a mért arány egynél sokkal kisebb (kék téglalapok). A mérést összehasonlították az energiaveszteséget nem tartalmazó (bal oldali ábra) és az azt figyelembe vevő (jobb oldali ábra) elméleti modellekkel (görbék): ez utóbbiakkal jó egyezést találtak.
A felfedezések jelentősége
Az oxigén-oxigén és a neon-neon ütközésekből származó adatok hiánypótlóak, mivel áthidalják a szakadékot a kis és nagy ütközési rendszerek között. Bár a QGP-szerű jelenségek már a proton-ólom ütközésekben is megfigyelhetők voltak, a sugárelnyelésre utaló jelek eddig hiányoztak. A CMS kísérletnek most sikerült először detektálnia ezt a jelenséget könnyű atommagok ütközéseiben. A forró, szabad kvarkanyag tanulmányozása a CERN-ben folyamatosan tágítja a fizika határait, és újabb betekintést enged az univerzum kezdeti állapotába.
A Chicagói Egyetem és a Massachusetts-i Műszaki Egyetem (MIT) kutatói által vezetett – közel húszfős – team munkájában, az adatok gyűjtésében, elemzésében, értékelésében az ELTE TTK Fizikai Intézet és a HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatói és hallgatói is fontos szerepet játszottak.
A részvételt az NKFI Alap K 146913, 146914 és 143460 projektjei, valamint a Tématerületi Kiválósági Program (TKP2021-NKTA-64) támogatta. A CMS együttműködés az elért eredményeket az Initial Stages 2025 nemzetközi konferencián mutatja be.
Forrás: ELTE TTK