A tökéletes kvarkfolyadék
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.
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 az eredményeket Nemes Frigyes (CERN, Svájc), a TOTEM kutatója mutatta be, aki a mérésekben is közvetlenül részt vett. A TOTEM-ben résztvevő magyar csoport vezetője, Csörgő Tamás (MTA Wigner FK) az adatokból a proton szerkezetével kapcsolatban levonható további következtetésekről beszélt. 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.
Forrás: az elte.hu