Hol tűnik el a határ az anyag fázisai között?

Mi is az a „kvantumszíndinamika kritikus pont”, és miért izgalmas ezt megtalálni?
Az anyag két különböző fázisát általában meg lehet különböztetni valamilyen mérhető tulajdonságuk alapján. Például a folyékony víz sűrűsége nagyobb, mint a vízgőzé. A kritikus pontban ezek a különbségek megszűnnek: a víz kritikus pontja feletti hőmérsékleten és nyomáson a vízgőz és a folyékony víz már nem tekinthető két külön fázisnak.

A kvantumszíndinamika kritikus pontja ugyanezt jelenti, csak épp nem a folyékony és gázfázis között, hanem a kvark-gluon plazma és a hadronikus anyag között. A hadronikus anyag a protonokat és neutronokat tartalmazza, amelyek az atommagokat alkotják, míg a kvark-gluon plazmában ezek építőkövei — a kvarkok és a gluonok — alkotnak egy forró, sűrű folyadékot. Ez az erősen kölcsönható anyag töltötte ki az univerzumot körülbelül egy mikroszekundummal az ősrobbanás után.

Hogyan segítenek a rácstérelméleti módszerek a probléma megértésében?
A kvark-gluon plazma és a hadronikus anyag közötti átmenetet leíró egyenletek már régóta ismertek: ezek a kvantumszíndinamika (QCD) alapegyenletei, amelyek az erős kölcsönhatást írják le. A rácstérelméleti módszer lényege, hogy a teret és az időt diszkrét rácsra helyezzük, majd szuperszámítógépek segítségével

kiszámítjuk, hogyan viselkednek a kvarkok és gluonok különböző hőmérsékleteken és sűrűségeken.

A rácsot ezután fokozatosan finomítjuk, hogy megkapjuk az elmélet folytonos téridőre vonatkozó jóslatait. Ezt nevezzük kontinuum limesznek.

A fázisdiagram feltérképezéséhez három technikai újítást dolgoznak ki: mitől különleges ez a megközelítés?
Fázisátalakulások vizsgálatakor mindig kulcsfontosságú az ún. térfogati skálázás. Ez azt jelenti, hogy a szimulációkat különböző térfogatokon kell elvégezni, és megfigyelni, hogyan változnak a fizikai mennyiségek a térfogat függvényében. Ezekből a változásokból lehet következtetni az átalakulás természetére. Kritikus jelenségek esetében ez különösen érzékeny kérdés, de az erősen kölcsönható, forró és sűrű anyagnál a térfogat növelése gyorsan rontja a szimulációk jel–zaj arányát. A mi új technikai fejlesztéseink éppen ezt a problémát igyekeznek kezelni.

Mi a legnagyobb elméleti vagy technikai kihívás a projektben?
A legnagyobb nehézség az úgynevezett előjel-probléma. Ez okozza, hogy a szimulációk jel–zaj aránya a térfogat növelésével gyorsan romlik. Az előjel-probléma nemcsak a kvantumszíndinamikában, hanem sok más kvantumrendszer — például a magas hőmérsékletű szupravezetők — szimulációjában is megjelenik. Bizonyos modellekben ez a probléma kezelhető ún. komplex kontúrdeformációs módszerekkel. Kutatásunk egyik fő célja, hogy ezt a megközelítést a kvantumszíndinamikára is kiterjesszük.

Milyen típusú számítási infrastruktúrát igényel a kutatás?
A számításainkat részben a világ különböző pontjain található szuperszámítógépeken végezzük — például az Aurora rendszeren az Egyesült Államokban, a JUWELS-en Németországban, vagy a LUMI-n Finnországban. Ezekhez az erőforrásokhoz nemzetközi pályázatokon keresztül jutunk hozzá, külföldi kollégákkal együttműködve. Emellett az ELTE-n is működtetünk egy saját számítógépklasztert, amely grafikus kártyákon (GPU-kon) alapul. Ez a rendszer főként kereskedelmi forgalomban kapható hardverekből — például játékra szánt videókártyákból — épül fel, de nagy számban és párhuzamosan használva kifejezetten alkalmas tudományos számításokra.

Van-e lehetőség nemzetközi együttműködésekre más kutatókkal ezen a területen?

Az elméleti fizikusok és a kísérleti kutatók között inkább egészséges verseny van,

mint közvetlen együttműködés: mindkét oldal arra törekszik, hogy elsőként találja meg a kritikus pontot. A kísérletiek ezt nehézion-ütközések adatainak elemzésével teszik, mi pedig a kvantumszíndinamika egyenleteit oldjuk meg numerikusan. Természetesen azért beszél egymással a két közösség, én is érdeklődve figyelem mindig az új kísérleti eredményeket.

Miért éppen most vált időszerűvé ez a kutatás?
Jelenleg több nagy kísérlet is zajlik, amelyek a kritikus pont létezését vizsgálják. Az aktív programok közé tartozik az Egyesült Államokban működő RHIC, valamint a CERN-ben zajló NA61 kísérlet. Épül a FAIR Németországban és a NICA Oroszországban, emellett Japánban is jóváhagyták a J-PARC-HI kísérletet. Ez a széleskörű kísérleti érdeklődés jól mutatja, hogy a kritikus pont keresése ma a nemzetközi magfizika egyik legfontosabb és legizgalmasabb kérdése.

Mit jelentene az Önök számára, ha sikerülne megtalálni a kritikus pontot? Hogyan változtatná ez meg a világról alkotott fizikai képünket?
A kritikus pont felfedezése mérföldkő lenne a magfizikában, mert azt jelentené, hogy sikerült feltérképezni az anyag egyik alapvető tulajdonságát: hogyan viselkedik, amikor rendkívül nagy sűrűségre és hőmérsékletre kényszerítjük. A felfedezés azt is jelentené, hogy sikerült olyan új módszereket kidolgoznunk, amely estleg más előjelproblémás kvantumrendszerek vizsgálatára is kiterjeszthető.

Mi vonzotta ehhez a témához, hogyan született meg a kutatócsoport ötlete?
Már hosszabb ideje foglalkozom az erősen kölcsönható anyag vizsgálatával, és számos elméleti, valamint algoritmikus ötletem van, amelyeket szeretnék megvalósítani. A Lendület-csoport alapítását azért pályáztam meg, hogy létrehozhassak egy csapatot, amelyben kollégákkal együtt dolgozhatunk ezen. Ami személyesen különösen vonz ebben a témában, az az, hogy a fizika sok különböző területét ötvözi — részecskefizika, magfizika, statisztikus fizika, számítógépes fizika —, így bár egy konkrét kérdést vizsgálunk, a munka mégis rendkívül változatos.

(Forrás: elte.hu)