Meghallani a kvark-gluon plazma hangját

A neutroncsillagok, az ultrahideg gázok és a kvark-gluon plazma különböző rendszerek, ám megegyeznek abban, hogy erősen kölcsönható részecskéket tartalmazó folyadékszerű anyaguk van. E majdnem tökéletes folyadékok viselkedésébe való betekintés kulcsfontosságú lehet a természet megértéséhez. De hogyan ismerhetjük meg őket? Áramlásuk feltárásában sokat segíthet például a hang, ez ugyanis longitudinális hullám, amely a mozgásának irányában az anyag összenyomódását és ritkulását idézi elő, sebessége pedig a közeg tulajdonságairól, például a sűrűségéről vagy a viszkozitásáról árulkodik.

A Higgs-bozon felfedezésével ismertté vált nemzetközi CMS együttműködés fizikusai a hangnak ezt a tulajdonságát felhasználva tettek kísérletet nemrégiben a kvark-gluon plazma jellemzőinek megállapítására a legfrontálisabb nehézion-ütközésekben.

A Genf melletti Nagy Hadronütköztető (LHC) nagyon nagy energiájú nehézion-ütközései gigantikus mennyiségű energiát koncentrálnak nagyon kicsi, atommagnyi térfogatba. Az ütközés során keletkező kvarkok és gluonok e térfogaton belül mozognak, rendkívül forró közeget, az úgynevezett kvark-gluon plazmát (QGP) alkotva.

E folyadékszerű anyag tulajdonságai jól leírhatók a hidrodinamika egyenleteivel.

A hang sebessége ebben az esetben attól függ, hogy a közeg nyomása mennyire változik meg az energiasűrűség változásának hatására.

A nehézion-ütközéseket az ütközési paraméterükkel jellemzik, ez a két atommag középpontja közötti legkisebb (az ütközés pillanatában megvalósuló) távolság. A kisebb ütközési paraméterű ütközésekben az ilyenkor keletkező QGP folyadék összes energiája nagyobb, miközben az energiasűrűség és/vagy a hőmérséklet közel állandó marad. Ha az ütközési paraméter a nullához közelít (ezeket hívjuk ultracentrális ütközéseknek), akkor a QGP-ben leadott energia csak egy bizonyos határig (illetve az atommagok véletlenszerű ingadozásai miatt kicsit mégis tovább) növekedhet. 

A termodinamikában egy közeg energiája a hőmérsékletével és entrópiájával függ össze. Az entrópia a rendszerben lévő rendezetlenség mértékegysége: megadja, hogy a rendszer alkotóelemei hányféle állapot esetén mutatnák ugyanazt a globális képet. Nehézion-ütközésekben ez a kibocsátott töltött részecskék számából (Nch) következtethető ki, a hőmérséklet pedig a kibocsátott részecskék átlagos transzverz (a nyaláb irányára merőleges) impulzusával (<pT>) függ össze.

Az 1. ábra a hőmérséklet, az ütközési paraméter és az entrópiasűrűség közötti kapcsolatot szemlélteti. Ebből látszik, hogy a hangsebesség az entrópianövekedés hatására bekövetkező hőmérsékletváltozásból meghatározható.

1. ábra: A hőmérséklet és az entrópiasűrűség összefüggésének ábrázolása közepesen és teljesen frontális (ultracentrális) nehézion-ütközések esetén

A 2. ábra azt mutatja, hogyan változik a hangsebesség négyzete a hőmérséklet (Teff) értékével a mérések és három különböző elméleti számítás szerint. Mint látható, az eddigi legpontosabb eredményt a CMS mérése adja.

3. ábra: A hangsebesség négyzete (cs2) az effektív hőmérséklet (Teff) függvényében, a CMS ultracentrális ütközésekben mért értékével. A piros doboz mérete a cs2 és a Teff szisztematikus bizonytalanságait jelzi, míg a statisztikai bizonytalanságok kisebbek, mint a jelölő mérete. A mérést egy korábbi eredménnyel (zöld doboz), egy szimuláció eredményével (kék doboz) és a rács-QCD számításokból származó előrejelzéssel (szürke görbe) hasonlítjuk össze. A szaggatott vonal az 1/3 értéknél megfelel a nem kölcsönható, nulla tömegű részecskékből álló („ideális”) gázra vonatkozó felső határértéknek.

Ez a kísérleti eredmény jelentősen leszűkíti a létrejött közeg viselkedésére, termodinamikájára felírható állapotegyenlet lehetséges paramétereit.

Az ELTE CMS csoportját Pásztor Gabriella vezeti, a nehézion-fizikai kutatásokért Veres Gábor felel. A kísérlet vezetése az ELTE csoportját kérte fel a mérés és a cikk áttekintésére, belső bírálatára, amelyet Csanád Máté végzett el, így hozzájárulva az eredmények nyilvánosságra hozatalához. A csoportot az ELTE Asztro- és Részecskefizikai Tématerületi Kiválósági Programja támogatja az NKFIH TKP2021-NKTA-64 számú projektje (és több OTKA pályázat) segítségével.

A CMS az eredményt a Reports on Progress in Physics folyóiratba küldte be publikálásra, a cikk preprint változata itt olvasható. Hírünk a CERN közleménye alapján készült. 

Borítókép: CERN