A „légörvénybe” került ősleves, avagy a kvarkanyag átalakulásának jelei
A RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) legnagyobb energiájú ütközései megolvasztják az atommagok protonokból és neutronokból álló anyagát, ilyenkor jön létre a különleges kvark-gluon plazma (QGP). A kutatók szerint a Világegyetemet is ez az anyag töltötte ki az Ősrobbanás utáni első ezredmásodpercben – később ez az anyag lehűlt, és a benne lévő kvarkokat a gluonok protonokba, neutronokba, majd atommagokba „ragasztották”.
A RHIC-nél létrehozott kvarkanyag apró cseppjei azonban rendkívül kicsinyek, alig 0.0000000000001 cm átmérőjűek, és csak 10^(-23) másodpercig (azaz 23 nulla van az egyes előtt) léteznek! Éppen ezért
kiemelkedően nehéz beazonosítani az anyag tulajdonságait és hagyományos anyaggá alakulásának paramétereit.
Feltételezések szerint a halmazállapotok (fázisok) közötti átalakulásokat bemutató fázisdiagramon létezhet egy úgynevezett kritikus pont – ennek keresése napjaink nagyenergiás nehézion-fizikai kísérleteinek legfontosabb célja. Nem ismert, hogy milyen ütközési energián érhető el ez a bizonyos kritikus pont, ezért indította el a RHIC a nyalábenergia-letapogató programját, és építenek új gyorsítókat Németországban, Oroszországban, Japánban.
A kutatók a RHIC nyalábenergia-letapogató (Beam Energy Scan, BES) program első szakaszában a 2010–2017 között gyűjtött adatokat vizsgálták, az atommagütközésekben keletkező részecskéket elemezték. A protonok és antiprotonok számának különbségét, azaz a „nettó” protonszámot határozták meg. Elméleti jóslatok alapján a nettó protonszám eseményenként egyre jobban ingadozik, ahogy a "kritikus ponthoz" közelítünk. Az ingadozás oka a kvarkokat és gluonokat irányító erős kölcsönhatás (a kvantum-színdinamika, azaz QCD). Eszerint a normál maganyag (amelyet „hadronok” alkotnak, azaz például protonok és neutronok) kétféle módon alakulhat át QGP állapotba.
A fázistérkép kutatása olyan, mint a víz különféle halmazállapotainak vizsgálata: arra vagyunk kíváncsiak, hogy milyen állapotok lehetségesek különféle hőmérsékleteken és nyomásokon (illetve a maganyag esetében „nettó” barionsűrűségen, azaz a barionok és antirészecskéik sűrűségkülönbségében). A STAR kutatói különféle energiájú ütközéseket vizsgáltak, ezáltal a fenti „térkép” különféle tartományait érik el.
Nagy hőmérsékleten, ahol a proton és az antiprotonok nagyjából egyformán jelennek meg (azaz a nettó barionsűrűség közel nulla), a kísérleti és elméleti eredmények szerint az átmenet folytonos. Tulajdonképpen a protonok fokozatosan olvadnak meg, ahogy a kint hagyott vaj egy meleg napon. Alacsonyabb ütközési energiákon ugyanakkor elsőrendűnek nevezett fázisátalakulásra számítunk – ez az erőteljes változás következik be például akkor is, amikor a víz felforr, és molekulái megszöknek az edényből, gőzt létrehozva. A két tartomány között, közepes ütközési energián létezhet a "kritikus pont", ahol az úgy nevezett másodrendű átalakulás következne be. Magfizikusok megjósolták, hogy a QGP-hadron-átmenetben mért nettó protonkeletkezés jelentősen megváltozik, ahogy az ütközések megközelítik a kritikus pontot.
Ahogy csökkentjük az ütközési energiát a RHIC-ben, azt várjuk, hogy egyre nagyobb ingadozások jelennek meg bizonyos mennyiségekben, például a protonok „nettó” mennyiségében, azaz a protonok és antiprotonok számának különbségben (balra). Ez a jelenség ahhoz hasonló, amelyet a felhőbe kerülő repülő által érzékelt turbulencia jelez (jobbra). Tulajdonképpen a maganyag kritikus pontját jelezheti mindez.
„Nagy energiákon csak egy halmazállapot van. A rendszer többé kevésbé invariáns, normális – magyarázza Nu Xu, a Lawrence Berkeley Nemzeti Labroatórium kutatója, a kutatás vezetője. – Ugyanakkor, ha alacsony ütközési energián vagyunk, akkor a nettó barionsűrűség nő, és változik az anyag szerkezete, ahogy áthaladunk a fázisátmenet területén. Ez ahhoz hasonló, mint amikor a repülő turbulenciába kerül. Érzékeljük az ingadozásokat, bumm-bumm-bumm. Ahogy áthaladtunk a turbulencián – az állapotváltozásokon – visszatérünk a normális, egyfázisú állapotba.”
Az izgalmas jelek ellenére a STAR kutatói elismerik, hogy az adatok még erősen bizonytalanok. Azt remélik, hogy a BES újabb, második fordulójában, 2019–2021 között felvett adatok már lényegesen precízebb eredményeket fognak hozni. „Az analízisben az egész STAR együttműködés részt vett, nagyon igyekeztünk, hogy minden részlet rendben legyen, és
nagyon várjuk a következő kísérleti forduló eredményeit. Feltérképezetlen vidéken járunk”
– mondja Nu Xu.
A Brookhaven Nemzeti Laboratórium (BNL) Relativisztikus Nehézion-ütköztető (RHIC) STAR kísérletét a nemzetközi STAR együttműködés irányítja. A kísérletben részt vesz az ELTE RHIC-Magyarország kutatócsoportja is a Felsőoktatási Intézményi Kiválósági Program (FIKP) Asztro- és Részecskefizikai Tématerületének keretein belül, a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal részleges támogatásával. Csanád Máté, az ELTE TTK Atomfizikai Tanszék egyetemi docense, a RHIC-Magyarország csoport vezetője a kézirat belső bírálatában működött közre. A csoport ezen kívül a következő körös analízishez az úgynevezett Eseménysík Detektor (EPD) fejlesztésén dolgozik, illetve kvantumstatisztikai, más néven femtoszkópiai analízist végez a RHIC PHENIX kísérlete után a STAR kísérletben is.
„Reményeink szerint femtoszkópiai kutatásaink segítségével sikerül azonosítani a kritikus pontot, illetve megtalálása esetén annak tulajdonságait is meg tudjuk majd határozni" – mondja Csanád Máté.
Az ELTE kutatói (Kincses Dániel, Pintér Roland, Csanád Máté) a STAR-kísérlet előtt (balra) és a kísérlet irányítótermében (jobbra).
Az eredményeket 2021 márciusában jelentette meg a RHIC STAR kísérlete a Physical Review Letters folyóiratban.
Forrás: Brookhaven National Laboratory, illetve magyarul a teljes sajtóanyag elérhető az alábbi linken
A borítófotón a Brookhaveni Nemzeti Laboratórium STAR kísérlete látható.