Két területen is előre léptek a kutatók a Világegyetem megismerésében

Az amerikai Brookhaveni Nemzeti Laboratóriumban (BNL) működő Relativisztikus Nehézion-ütköztető (RHIC) STAR kísérletének célja, hogy extrém nagy energiára gyorsított atommagok ütközéseiben újra létrehozza a Világegyetemet születése utáni első milliomod másodpercekben kitöltő kvarkanyagot, és vizsgálja annak tulajdonságait.

A mag- és részecskefizika egyik fontos kérdése, hogy amennyiben létrejön a kvarkanyag, milyen átmenet van közte és a hagyományos anyag (az atommagok anyaga) között. Az egyik eshetőség az elsőrendű átalakulás, amely a jég megolvadására vagy a víz elforrására hasonlít, a másik a folytonos átalakulás, amelyre a vaj megolvadása a jó példa, és lehetséges másodrendű átalakulás is, amelynek során érdekes ingadozási jelenségek lépnek fel. (Ez utóbbival kapcsolatban nemrég számoltak be érdekes eredményekről a kutatók.)

Mára bizonyosnak látszik, hogy a legnagyobb ütközési energiákon folytonos átalakulás megy végbe: mind a RHIC-ben, mind a svájci Nagy Hadronütköztetőben (az LHC-ban) végzett ez irányú kísérletek az elméleti feltevést igazolták. Közepes és kis energiák esetében azonban még nagy erőkkel keresik a választ  az átmenet mikéntjét firtató kérdésekre.

A kvarkanyag elsőrendű átalakulása

A számítások szerint ebben az esetben az elsőrendű fázisátmenet a legvalószínűbb. Ennek ellenőrzéséhez ugyanakkor a kísérletekben mindössze a másodperc töredékéig jelen lévő kvarkanyag sokféle ütközési energián való vizsgálatára van szükség. A RHIC változatosságának és a STAR kísérlet kifinomultságának köszönhetően végre mód nyílt erre, és

a kutatók kezébe kerültek a szükséges adatok.

Az ütközés energiája akkor lesz kisebb, ha a kutatók nem két egymással szembemenő nyalábot ütköztetnek, hanem egy rögzített céltárgyat helyeznek a nyaláb útjába. A STAR fizikusai az alábbi ábrán látható aranyfóliát helyezték a RHIC atommagnyalábjának útjába, és az így létrejövő ütközéseket vizsgálták. Az ábrán a rögzített céltárgyas ütközésben keletkező részecskék nyomai láthatóak (a nyaláb jobbról érkezik).

Elsőrendű átalakulás esetén a nyomás csökkenését és a kvarkanyag élettartamának növekedését figyelhetjük meg. Ez ahhoz hasonlatos, ahogy a víz hőmérséklete fagyás vagy olvadás során hosszabb ideig ugyanannyi (0 ⁰C) – magyarázza Csanád Máté docens, a magyarországi kutatócsoport vezetője. A STAR kutatói a nyomáscsökkenést a részecskék eltérülésének mértéke alapján vizsgálták (ilyenkor ugyanis ez a fajta áramlás lecsökken), a kvarkanyag élettartamát pedig a rendszer méretéből próbálták megbecsülni (hosszabb életű rendszer nagyobb mérettel is jár). Ilyen apró változások méréséhez a femtométernél, azaz az emberi hajszál milliárdod részénél kisebb hullámhosszú részecskék vizsgálatára volt szükség. 

A kísérlet megerősítette a kvarkanyag elsőrendű fázisátmenetére vonatkozó jóslatot. A folyamat megértése mind az elemi részecskék világa, mind az Univerzum megértése szempontjából fontos: a neutroncsillagok ütközésekor ma olyasféle változás mehet végbe, mint amilyen átmenet az Univerzum születése, az Ősrobbanás után bekövetkezett.

Az eredményeket leíró publikáció és a kapcsolódó sajtóanyag ITT és ITT érhető el. 

Királis mágneses hatás és a szimmetriák

Ezzel párhuzamosan egy másik jelenséggel is foglalkoztak a kutatók: a 2004-ben megjósolt királis mágneses hatás nyomába eredtek eddig még nem próbált módon. A RHIC-nél az elmúlt két évtizedben már sokféle energiájú ütközést vizsgáltak, és valamennyiben arra figyeltek fel, hogy a töltött részecskék aszimmetrikusan szétválnak: a pozitívan töltött részecskék az ütköző atommagok által létrehozott mágneses tér irányába repülnek ki, a negatív töltésűek pedig ezzel ellenkező irányba. Ez arra utal, hogy bizonyos szimmetriák sérülnek a kvarkanyagban, és ennek oka az úgynevezett királis mágneses hatás lehet.

A szimmetriasértések vizsgálata a fizika egyik legnagyobb kérdésének megválaszolásához vezethet. Noha minden anyagi részecskének létezik antirészecskéje, és az ebből felépülő antianyag az anyag tökéletes tükörképe, mégis szinte csak anyagot látunk magunk körül, a Földön és a Világegyetemben is. A kérdés az, hova lett az antianyag, miért áll az Univerzum szinte kizárólag anyagból.

A vizsgálat során a STAR fizikusai ún. "izobár" atommagokat ütköztettek.

Már az is komoly eredménynek számít, hogy ezt sikerült véghez vinni: mindezidáig a kutatók csak néhány fajta atommagot (például az LHC-nál ólom atommagokat, a RHIC-nél arany atommagokat) ütköztettek. A RHIC hihetetlen variálhatósága következtében most azonban lehetővé vált, hogy ruténium és cirkónium atommagokkal is kísérletezzenek. Ezek az atommagok azonos tömegűek/méretűek, csak a töltésük más, ami újabb jelentőséget ad a kísérletnek. A két atommag azonos mérete miatt azonos megfigyelésekre számíthatunk. Ugyanakkor a nagyobb töltésű ruténium esetén megjelenő erősebb mágneses tér miatt a kutatók azt várták, hogy az ottani ütközésekben keletkező töltött részecskék szétválása erőteljesebb lesz, mint a cirkónium ütközések esetén, és ez bizonyítékul szolgálhat a királis mágneses hatás létére.

Az adatokat „vakon” elemezték, azaz nem tudták, az adatok mely része származik cirkónium atommagok ütközéseiből, és melyik ruténiumokéból. A vak analízissel ki akartak zárni minden lehetséges „elfogultságot” a mérésekben és az eredmények értelmezésében. A hihetetlen mértékben ellenőrzött kísérlet mégis rejtett meglepetést: a kutatók úgy találták, hogy az ütköző atommagok eltérő alakja (és bennük a protonok és neutronok különböző elrendeződése) is befolyásolhatja az eredményt.

A királis mágneses hatásra így nem találtak bizonyítékot, ám a kísérlet megmutatta, merre érdemes tovább keresni. „A számítások szerint a királis mágneses hatás jelentősebb lehet alacsony ütközési energiák esetén. Vagyis jó esélyünk van megfigyelni a hatást kisebb energiájú RHIC ütközések elemzésével” – mondja Dmitri Kharzeev, a Brookhaveni Laboratórium és a Stony Brook egyetem elméleti fizikusa, aki elsőként vetette fel a királis mágneses hatás létezésének lehetőségét 2004-ben.

Az eredményeket leíró publikáció és a kapcsolódó sajtóanyag ITT és ITT érhető el. 

Forrás: elte.hu