Korábbi előadónk a Nature-ben

A Nature nemrég publikált egy tanulmányt, melynek elkészítésében Fodor Zoltán fizikus, az ME korábbi előadója is közreműködött. A kutatást ő maga foglalta össze.   

Magyar és japán kutatók Fodor Zoltán, az ELTE TTK Elméleti Fizika Tanszék professzorának vezetésével cikket publikáltak a Nature október 12-i számában a kvantum színdinamika fázisátalakulásának tulajdonságáról. A tanulmány eredményeit Frank Wilczek Nobel-díjas professzor külön cikkben méltatta a folyóiratban. Az alábbiakban Fodor Zoltán - az MTA honlapja számára készült - összefoglalóját tesszük közzé:

A fázisátmenetek alapvető jelentőséggel bírnak a fizika minden területén. A talán leghétköznapibb fázisátmenet a víz-gőz átmenet. A vízforralás során gőzbuborékok jelennek meg a vízben, melyek a víz felszínére törnek és elpárolognak. A anyagsűrűség a fázisátmenet során egy jelentős értékről (1 g köbcentiméterenként) közel nullává válik. Hasonló átmenetek történhettek óriási skálákon a világegyetem születése során, melyeknek rendkívül fontosak a következményeik. A legérdekesebb ilyen átmenet tízezer milliárd fokon történt. A kvarkok és gluonok majdnem tömegtelen, majdnem szabad gáza a világegyetem tágulása és hűlése során összetett részecskékké kondenzálodott. Ezen részecskék (protonok, neutronok) alkotják a ma is látható világegyetem tömegének a túlnyomó többségét. Az átmenetet, mint folyamatot a részecskefizika egyenletei írják le. Sajnos az egyenletek olyan bonyolultak, kezelésük olyan nehéz, hogy több mint harminc évet kellett várni az egyenletek felírásától azok megoldásáig.

Egy kvark-antikvark találkozás (Forrás: Centre for the Subatomic Structure of Matter, University of Adelaide, Australia)

A majdnem szabad kvark-gluon gáz és a ma ismert protonok, neutronok világa között óriási kvalitatív különbség van. Érthető, hogy a szakmai közvélemény egy valódi, víz-gőz átmenethez hasonló átmenetet várt. Kutatócsoportunkkal megmutattuk, hogy az eredeti várakozásokkal ellentétben nem egy fázisátmenettel, hanem egy sima, úgynevezett cross-overrel állunk szemben. Ez azt jelenti, hogy a fent említett fizikai jelenségek mind elmaradtak, az ezen jelenségekkel foglalkozó tudományterület véglegesen lezárult.

A számolások során kvantum rácstérelméletet alkalmaztunk. A kvantált mezőváltozókat 0.1-0.3 fermi finomságú téridő rácsokra helyeztük. Azt vizsgáltuk, hogy milyen fizikai jelenséget tapasztalunk, miközben a rácsot egyre finomabbra és finomabra választjuk. A végtelenül finom rácsot hívjuk kontinuum határesetnek. Az egyes fizikai mennyiségek téridő rácson mért értékei és a kontinuum határesetbeni értékek eltérnek egymástól. Az eltérés a rács finomságának a négyzetével arányos.

Az igazi nehézséget az okozza, hogy a fenti határátmenetképzéssel párhuzamosan egy másik határátmenetet is el kell végezni. Ezt termodinamikai határesetnek nevezzük, melynek során a rendszer mérete minden határon túl nő. Ezen termodinamikai határátmenet során, egy valódi fázisátmenet tipikus viselkedést mutat. A fajhő és a hozzá hasonló mennyiségek hőmérsékletfüggése egy egyre élesebb és élesebb csúcsot mutat (a csúcs egyre keskenyebb és egyre magasabb lesz). Teljesen más képet kapunk egy sima cross-over esetén. Ilyenkor egy bizonyos fizikai térfogat fölött semmi jelentős változás nem észlelhető a fajhőben. A csúcs élessége térfogatfüggetlenné válik.

Csoportunkkal a kvantum színdinamika (QCD) úgynevezett királis szuszceptibilitásának a hőmérsékletfüggését vizsgáltuk. A nehézséget a QCD egyenleteinek a bonyolultsága okozta. Ezeket az egyenleteket csak szuperszámítógépek segítségével lehet megoldani, a feladat számolásigénye óriási. Másodpercenként ezer milliárd művelet elvégzésére van szükség, és még így is egy egész évig tartanak ezek a számolások. Sajnos Magyarországon csak korlátozott lehetőségek vannak ilyen teljesítményű szuperszámítógépek beszerzésére és használatára. Ezért az Eötvös Loránd Tudományegyetemen évekkel ezelőtt elkezdtünk egy szuperszámítógép fejlesztési programot. A rácstérelmélet első szomszéd kölcsönhatását kihasználva, egyszerű személyi számítógépeket kötünk össze egy magasabb dimenziós háló strukturába. Ezzel az eljárással sikerült a szükséges szuperszámítógep kapacitást (az ELTE-n és a Wuppertal Egyetemen) a nagygépekre jellemző piaci ár töredékéért biztosítanunk.

A személyi számítógépekre alapuló szuperszámítógépekkel elvégeztük a számolásokat, megvizsgáltuk a kontínuum határesetben a királis szuszceptibilitás térfogatfüggését. Ez az analízis választ adott arra a kérdésre, hogy valóban a víz forrásához hasonló-e a korai világegyetemben lezajlott átmenet. A válasz egyértelmű: nem. Az átmenet sima volt, és egy bizonyos hőmérséklet tartományban fokozatosan ment végbe.

Ezen eredmény sok kozmológiai kérdés újragondolásához vezet. Ezen túlmutatóan, konkrét információkat szolgáltat a Brookhavenben folyó ún. RHIC kísérletek számára, hiszen ezek a vizsgálatok a korai világegyetem történéseit kívánják kísérletileg megvalósítani.

A QCD szuperszámítógép segítségével történő megoldása, egyre több és több konkrét kérdés megválaszolása az elkövetkező néhány év során várhatóan óriási szerepet fog játszani a fizikában. Mostanra értük el azokat a számítógépes kapacitásokat, melyekkel ez a régi vágy valóra válhat. A megfelelő technikák, a fizikai meglátások segíteni fogják az egész közösséget ezen az úton. Örülünk, hogy az egyik legelső fontos jóslatot csoportunk tette.