Ahol a nukleonok elolvadnak: A CMS kísérlet áttörése

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 Karának és a HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpontjának fizikusai, most az ólom atommagoknál könnyebb anyagok ütköztetésével elért új eredményekkel, közelebb kerültek a QGP keletkezésének megértéséhez, ezáltal az univerzum kezdeti pillanatainak megismeréséhez.

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.

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 (R_AA​) 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.

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 ezért feltették a kérdést: vajon mekkora méretű atommagokra van szükség a QGP kialakulásához?

Áttörés könnyű atommagokkal

A CMS kísérlet most könnyű atommagokkal, oxigénnel (¹⁶O) és neonnal (²⁰Ne) végzett ütközésekkel adott választ erre a kérdésre. Az LHC-n 2025 júliusában felvett adatok első elemzése ugyanis megerősítette a sugárelnyelés jelenlétét az oxigén-oxigén ütközésekben is (a mért R_AA 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 kísérlet kutatói 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 R_AA​ értéke 5,36 TeV energiájú oxigén-oxigén ütközésekben a részecskék ütközésre merőleges irányú lendületének (p_T) 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 az MIT (Massachusetts-i Műszaki Egyetem) kutatói által vezetett – közel húszfős – team munkájában, az adatok gyűjtésében, elemzésében, értékelésében az ELTE TTK Fizikai Intézete 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 [1] az Initial Stages 2025 nemzetközi konferencián mutatja be [2].

[1] CMS Physics Analysis Summary CMS-PAS-HIN-25-008

[2] https://indico.cern.ch/event/1479384/

(Forrás: Fizikai Intézet)