Lévy-repülés és tömegcsökkenés a kvarkanyagban
A nagyenergiás részecskegyorsítóknál – Szuper Protonszinkrotron (SPS), Relativisztikus Nehézion-ütköztető (RHIC) és Nagy Hadronütköztető (LHC) – végzett kísérleteknek az utóbbi 10-15 évben gyűjtött adatai arra utalnak, hogy ultrarelativisztikus nehézion-ütközések során egy közel tökéletes folyadék halmazállapotú kvarkanyag, szakmai nevén az erősen kölcsönható kvark-gluon plazma alakul ki. Ez az ember által mesterségesen előállított legforróbb anyag, amely természetes körülmények között az Ősrobbanás utáni első néhány milliomod másodpercben volt jelen, és akkor kitöltötte az egész Világegyetemet.
„A részecskegyorsítók ütközéseiben az Ősrobbanás után rövid ideig jelen lévő forró és sűrű kvarkanyagot újra elő tudjuk állítani, a másodperc töredékéig. Az ütközések helye köré rendezett detektorokban észleljük az abból kirepülő részecskéket, és ezek lendületének korrelációi kvantumos természetük miatt elárulják az őket létrehozó anyag téridőbeli szerkezetét. A jellegzetes femtométeres tartomány miatt ezt a területet femtoszkópiának is nevezzük” – mondja Csanád Máté, az ELTE csoport vezetője.
A szakterülettel foglalkozó, a világ minden tájáról érkező kutatók 2005 óta a „Workshop on Particle Correlations and Femtoscopy” (WPCF) című konferenciasorozaton találkoznak rendszeresen, hogy megvitassák legfontosabb új eredményeiket. Az idei a 17. WPCF volt, és hét plusz kettő ELTE-s előadás is bekerült a programba, azaz minden tizedik előadás az ELTE-hez köthető volt – ezzel az ELTE adta az egyik legnépesebb csoportot az idei konferencián.
Az első napon Csanád Máté (az ELTE csoport vezetője) összefoglaló előadást tartott a csoport eredményeiről. A második napon Sneha Bhosale (posztdoktori kutató) a RHIC STAR együttműködésben elért eredményeit mutatta be, Pórfy Barnabás (fizikus doktorandusz) pedig az SPS NA61/SHINE méréseiről tudósított. A harmadik napon Kincses Dániel (posztdoktori kutató) az elméleti kutatásokat foglalta össze, a Lévy-repülés (avagy Lévy-folyamat) kimutatására fókuszálva, majd Árpási Emese és Kovács László (fizikus MSc hallgatók) tartottak egy-egy előadást az EPOS nevű modell femtoszkópiai alkalmazásáról, illetve a mérésekkel való összevetésről; végül Kóródi Balázs (a csoport korábbi hallgatója, jelenleg az Ohioi Egyetemen doktorandusz) a RHIC STAR kísérlet Eseménysík Detektorával végzett úttörő elemzésekről számolt be, amelyeket az ELTE-s csoporttal közösen végzett el. Az utolsó napon Nagy Márton (habilitált egyetemi adjunktus) olyan elméleti kutatásokról számolt be, amelyek nagyon megkönnyítik majd a kísérleti femtoszkópiai adatok vizsgálatát. Ezeket az eredményeket is felhasználva Lökös Sándor (a csoport korábbi hallgatója és doktorandusza, jelenleg a krakkói Magfizikai Kutatóintézet és a MATE gyöngyösi Femtoszkópiai Tudásközpont munkatársa) a kutatók RHIC PHENIX kísérletében elért eredményeit mutatta be, amelyben váratlan módon az η’ (éta-vessző) mezon részecske közegbeli tömegcsökkenésére találtak jeleket. Ez a részecske tulajdonságai ellenére meglepően nagy tömegű, de az új eredmények arra utalnak, hogy a nagy hőmérsékletű közegben helyreálló kvantumszimmetriák következtében ilyenkor kisebb tömeggel keletkezi – egyfajta kvantumos Archimédész-törvényt megvalósítva. Az ELTE csoport által, a HUN-REN Wigner Kutatóközponttal és a MATE Femtoszkópiai Tudásközpontjával közösen írt PHENIX cikket most fogadta el közlésre a Physical Review C folyóirat, és „szerkesztői javaslat” (Editors' Suggestion) kiemelésre is javasolták.
Az ELTE kutatócsoportja a kvarkanyag téridőbeli szerkezetét vizsgálja a Lévy-stabilnak nevezett eloszlások segítségével, és eredményeik együttesen arra mutatnak, hogy nem a korábban feltételezett normális (Gauss) eloszlás szerint viselkedik ez a közeg, a stabilitási exponensnek nevezett matematikai mérőszám pedig számot adhat a kvarkanyag „kifagyásakor” zajló jelenségekről; illetve összekapcsolja a nehézion-fizikát olyan távoli területekkel, mint a mikrobiológia, az ökológia vagy akár a közgazdaságtan, ahol szintén nagyon fontos a Lévy-folyamatok szerepe.
„A Lévy-folyamat és az ezt jellemző jellegzetes hatványfüggvényszerű viselkedés megjelenése rengeteg tudományterületen átível, a tengeri ragadozók vándorlásától kezdve a gazdaságtanig. A kutatócsoportunk elmúlt években elért eredményei alapján eddig is sejthető volt, hogy nagyenergiás atommag ütközések esetén is megjelenhet hasonló folyamat. A legújabb eredményeink azonban egy szimulációs modell segítségével rendkívül látványosan mutatják a részecskék lépéseiben megjelenő nagy ugrásokat, illetve az ezáltal keletkező lassan lecsengő térbeli eloszlásokat. Mindezt egy újszerű, háromdimenziós vizsgálaton keresztül.” – fűzi hozzá Kincses Dániel, a Lévy-repüléses kutatásokat vezető posztdoktori kutató.
További információ:
- A konferencia programja: https://indico.in2p3.fr/event/32030/timetable/#all
- Az η’ közegbeli tömegcsökkenését leíró publikáció (amelyet a Physical Review C közlésre elfogadott, és Editors’ Suggestion kiemelésre javasolt): https://arxiv.org/abs/2407.08586
- Az ELTE csoportjának honlapja: https://physics.elte.hu/content/rhic-magyarorszag-kutatocsoport.t.11745
- A konferencián bemutatott eredmények egy részéről beszámoló korábbi hír: https://www.elte.hu/content/feltarult-a-kvarkanyag-geometriaja.t.29541
- Az ELTE asztro- és részecskefizikai kutatásait összefogó Tématerületi Kiválósági Program weboldala: https://physics.elte.hu/fikp_asztro
A kutatásokat a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal támogatta, a TKP, OTKA és TÉT programokon keresztül.