Amerika legnagyobb részecskegyorsítójában dolgoznak az ELTE fizikusai

2022.02.10.
Amerika legnagyobb részecskegyorsítójában dolgoznak az ELTE fizikusai
Az Ősrobbanás utáni első ezredmásodperc anyagát, a kvark-gluon plazmát tanulmányozó RHIC részecskegyorsító az ELTE fizikusainak közreműködésével 2022-ben végre személyes részvétellel indíthatta el adatfelvételi időszakát. A STAR kísérletben több új detektor beüzemelésével most polarizált protonok ütközéseit vizsgálják a kutatók, amelynek célja az atommagok alapvető építőköveinek belső struktúrájának jobb megértése.

A new yorki Relativisztikus Nehézion-ütköztető (Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC) több kilométeres gyűrűiben hatalmas energiára gyorsította atommagokat ütköztetnek egymással. Nagy atommagok (nehézionok) ütközésekor az őket alkotó protonok és a neutronok megolvadhatnak, egy új, utoljára a világegyetem születésekor jelen lévőhöz hasonló közeget, a kvark-gluon plazmát, avagy kvarkanyagot létrehozva. Protonok ütközésekor más jellegű folyamatok játszódnak le. Fontos kérdés, hogy ekkor is létrejön-e a kvarkanyag, ugyanakkor e kísérletek célja a proton belső szerkezetének jobb megértése: mennyire jelentős bennük a kvarkokat összetartó gluonok szerepe, és hogyan adódik a proton perdülete az őt alkotó kvarkok és gluonok perdületéből.

A RHIC komplexum a Brookhaveni Nemzeti Laboratóriumban (balra); a STAR kísérleti berendezése és egy konkrét atommagütközés egymásra montírozva (jobbra).

A kutatások egyik fő kérdése jelenleg az, hogy a proton alkotóelemei (azaz a protont felépítő „valencia-„ avagy kötési kvarkok, az ezeket összetartó gluonok és a kvantumfluktuációkból folyamatosan keletkező kvark-antikvark párok) milyen kölcsönhatási energia esetén milyen szerepet játszanak, mely összetevők mekkora hányadát hordozzák a proton energiájának és perdületének.

Mindez az atommagokat összetartó erős kölcsönhatás jobb megértését is szolgálja.

Ennek érdekében a RHIC polarizált (azaz egyirányba forgatott perdületű) protonok ütközéseit vizsgálja. Ehhez igen különleges berendezésekre van szükség, többek között úgynevezett szibériai kígyókra, amelyek gyorsítás és pályán tartás közben be tudják forgatni a protonok perdületét a megfelelő irányba. Ez azért fontos, mert így az ismert (azaz nem véletlenszerű) irányban álló protonok ütközése során a részecskék kirepülési irányának vizsgálata segít megérteni, hogy a proton alkotóelemei hogyan járulnak hozzá magának a teljes protonnak a perdületéhez – amely egy lassan száz éve fennálló rejtély.


Az ELTE csapata a RHIC gyorsítógyűrű egy kiállított eleme előtt; balról jobbra:
Kincses Dániel, Nagy Márton, Mukherjee Ayon és Csanád Máté.

A STAR-hoz hasonló nagy kísérletek adatfelvételét általában a résztvevő kutatók végzik, ilyenkor feladatuk a gyorsító irányításával való kommunikáció, a kísérlet detektorainak állapotának folyamatos figyelése, a kis- és nagyfeszültségű rendszerek irányítása, az adatfelvétel elindítása és leállítása, illetve a több megawattos teljesítményű szupravezető mágnesek kezelése. Mivel a kísérletek folyamatosan üzemelnek, ezért a kutatók napi három műszakban váltják egymást, ötfős csapatokat alkotva. Az ELTE STAR-Magyarország kutatócsoportjának tagjai - Csanád Máté, Kincses Dániel, Ayon Mukherjee, Nagy Márton és Tripathy Srikanta - 2022 folyamán személyesen és online is bekapcsolódtak a mérésekbe. Ennek érdekében a magyar csapat több hetet töltött el a Brookhaveni Nemzeti Laboratóriumban, műszakvezető és detektorüzemeltető feladatokat ellátva. Tripathy Srikanta pedig online csatlakozott be a mérésekbe, távolról felügyelve a detektorok által felvett adatok minőségét.

Az ELTE kutatói a STAR adatfelvételének irányítása közben (balra) és bent a gyorsítónál, a STAR kísérlet detektorai mellett (jobbra).

Az ELTE csoport az Event Plane Detektor (Eseménysík Detektor) nevű berendezés beüzemelésében vett részt, amely egyfajta első lépcsője volt ezen feljesztéseknek, és nem csak proton-proton, de mag-mag ütközésekben is fontos szerepet tölt be. Az ELTE kutatóinak további fontos feladata az adatok elemzése, különös tekintettel femtoszkópiai mérésekre; illetve Csanád Máté például a kísérlet adatarchiválásának irányítója volt a 2020-21-es periódusban, Tripathy Srikanta pedig a kísérlet nevében tartott előadásokért felelős bizottság tagja.

Újdonságok a STAR projektben
A 2022-től kezdődő időszakra a STAR komoly fejlesztésekkel készült, hogy az előrefelé szóródó részecskék eloszlásaiból is minél több információt tudjon kinyerni a proton szerkezetét illetően. Korábban ugyanis leginkább az ütközés irányára közel merőleges irányban tudták elemezni a kirepülő részecskéket. Az új fejlesztések közé tartozik a Forward Silicon Tracker (Előreszórási Szilícium Nyomkövető), a Forward Calorimeter System (Előreszórási Kaloriméter Rendszer) és a Small-Strip Thin Gap Chamber (Kissávos Keskenyrésű Kamra), amelyek mind az ütközés irányával közel párhuzamosan kirepülő részecskéket hivatottak vizsgálni

Érdekes és fontos időszak ez a STAR kísérlet életében. Lezárult az erős kölcsönhatás fázisdiagramjának feltérképezésére irányuló adatfelvétel, és megkezdtük ezen adatok elemzését. Ezzel párhuzamosan pedig elindult a STAR előreszórást vizsgáló programja, amelynek során proton-proton és mag-mag ütközéseket is elemzünk majd. A RHIC előbbiben egyedülálló a világon: kizárólag itt tudják ultra-relativisztikus energiájú polarizált protonok ütközéseit vizsgálni. Nemsokára beindul a RHIC-nél az sPHENIX kísérlet is, az után pedig a gyorsító átalakítása következik, a távlati tervek középpontjában ugyanis egy elektron-atommag ütköztető megépítése áll.” - mondja Csanád Máté, az ELTE Atomfizikai Tanszékének egyetemi docense, a RHIC-Magyarország kutatócsoport vezetője. Az ehhez hasonló együttműködések nyomán az ELTE Tudományos Diákkörében aktív diákjai a brookhaveni RHIC gyorsítóhoz, illetve a CERN hasonló berendezéseihez is eljuthatnak munkájuk során, és a szakterület legismertebb kutatóival dolgozhatnak együtt.


A kutatócsoport a Felsőoktatási Intézményi Kiválósági Program Asztro- és Részecskefizikai Tématerületén belül műküdik, a STAR kísérletben való részvételt ezen kívül pedig az NKFIH OTKA FK-123842, K-138136 és 2019-2.1.11-TÉT-2019-00080 projektek támogatják.


Kapcsolódó cikkek: