Megkezdődtek minden idők legnagyobb energiájú kísérletei<BR/>

A Brookhaven Nemzeti Laboratórium (USA) kutatói megkezdték az arany-atommagok ütköztetését a világ legújabb és legnagyobb nehézion-gyorsítójában. A kísérletekről Miklos Gyulassy és Lévai Péter fizikusokat kérdeztük.

A kísérletek a relativisztikus nehézion ütköztetőben (Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC) zajlanak. A berendezés különlegessége, hogy két gyorsítógyűrűből áll, amelyek mindegyikében a fénysebesség 99,995%-ára gyorsítják fel az arany-atommagokat, majd a gyűrűk találkozási pontjában ütköztetik őket. Az ütközés során keletkező részecskék záporát 4 rendkívül érzékeny detektor-komplexum észleli.

A kísérletek célja, hogy az ütközéskor kialakuló rendkívül magas hőmérsékleten és sűrűségen keletkező kvark-gluon plazma létezéséről és tulajdonságairól nyerjenek információkat. A kvark-gluon plazma az anyag speciális állapota, amely természetes körülmények között csak az Ősrobbanást követő igen rövid ideig, a másodperc néhány milliomod részéig létezett. Ez az "ősleves" kvarkokból, vagyis a barionokat (protonokat és neutronokat) felépítő részecskékből, illetve az őket összeragasztó gluonokból áll. A kísérletek során szerzett tapasztalatok a fizikusok szerint új fejezetet nyitnak a tudományban: segítségükkel az anyag tulajdonságainak alapvető kérdéseit tudjuk megválaszolni, miközben az Univerzum fejlődéséről alkotott képünk is tovább finomodik.

Hasonló kutatások már évek óta zajlanak. 2000 februárjában egy sajtókonferencia keretében a CERN gyorsító vezető kutatói összegeztek az elmúlt 10 év során elvégzett nehézion-kísérletek tudományos eredményeit. (Ezen eredmények megszületéséhez mintegy 10 magyar kísérleti fizikus is hozzájárult több éven keresztül végzett munkájával.) A nyilatkozatok szerint a detektorokban több, a kvark-gluon plazma megjelenésével is magyarázható jelet, un. plazma-szignatúrát sikerült rögzíteni. Az előadásokból világosan kiderült, hogy meddig jutott el a CERN nehézion programja és milyen eredményekre alapozva kezdheti meg munkáját a RHIC gyorsító 2000 nyarán.

Sokak szerint azonban csak az RHIC képes a kvark-gluon plazma "biztos" észlelésére, mivel ott a CERN-nél tízszer nagyobb energiákon (100 GeV/nukleon) zajlanak az események. A két projekt közti különbséget érzékeltetve Miklos Gyulassy, az RHIC programjában résztvevő magyar származású kutató a következő szemléletes hasonlattal állt elő:

"A CERN kísérletei nagyon érdekesek voltak, és sokat tanultunk a sűrű atommag fizikájáról. De olyan alacsony volt az energia, hogy csak a magma ajtajához jutottak. Bekopogtak a magma szobájába, hallottak ordibálást, éreztek az erejét, de szerintem nem volt elég erős a kopogás, és nem tudtak bejutni. Az RHIC esetében tízszer magasabb energiával betörünk a magma szobájába, és körül fogunk nézni. Igazan nem tudjuk, hogy mi vár ránk. Sok elméleti elképzelés létezik, de szerintem valami egészen újat fogunk tanulni a fizikai világról."

Lévai Péter elméleti fizikus (KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet), aki részt vett a CERN-ben folytatott nehézion-kísérletek eredményeinek elméleti analízisében, az [origo] érdeklődésére elmondta, hogy ennél azért több történt. A CERN-kísérletek hozzásegítettek ahhoz, hogy a 20 évvel ezelőtt, a kvark-gluon plazma kutatás kezdetekor felvetett elméletek ma már sokkal pontosabbak, és képesek vagyunk a kísérleti eredmények reprodukálására. Ez nagyon fontos a CERN-kísérletek eredményeinek megértésében, s egyúttal megbízható alapot szolgáltatnak a RHIC várható eredményeinek helyes értelmezéséhez.

Az RHIC-ben folytatott kísérletek minden bizonnyal a kvark-gluon plazma tulajdonságainak - hőmérséklet, energia- és részecskesűrűség, entrópia - részletes tanulmányozását teszik lehetővé. Az eredményekből olyan dolgokra következtethetünk, mint például a bennünket is felépítő közönséges részecskék - protonok, neutronok - eredetének kérdése, vagy az Univerzum korai fejlődésének története.

Az RHIC alagútjában a két gyorsítógyűrűi átmérője 3,84 km, és 1 740 szupravezető mágnes végzi az arany-atommagok körpályán tartását. Az egymással szemben mozgó atommagok ütközésekor a másodperc törtrészére akkora energia koncentrálódik egy atommagnyi térrészbe, hogy a hőmérséklet eléri a Nap magjában uralkodó érték (15 millió fok) ezerszeresét. Ez elég ahhoz, hogy az atommagokat felépítő részecskék - protonok és neutronok - alkotóelemeikre essenek szét, s 1/100 000 000 000 000 000 000 000 másodpercig szabad kvarkok és gluonok létezzenek. A detektorok másodpercenként egy ütközés hatásait vizsgálják, s a keletkező közel 10 000 részecske érzékelésére és adataik feldolgozására képesek. A kísérletek egész nyáron folynak, s a legkorábbi eredmények 2001 elején várhatók, az előreláthatóan 10 éves program első fejezeteként.

Lévai Péter elmondta, hogy amit az RHIC-ben tapasztalnak, azt 2007-ben a CERN LHC (Large Hadronic Collider) gyorsítójában még magasabb energiákon újra megvizsgálhatják. Magyarország a CERN-együttműködés tagja, és jelenleg is sok magyar kísérleti fizikus dolgozik azon, hogy az LHC detektorai 2007-re elkészüljenek. Ugyanakkor több magyar fizikus részt vesz - főként elméleti oldalról - a RHIC mellett folyó munkában.

Ezek egyike Miklos Gyulassy magyar származású fizikus, a New York-i Columbia Egyetem Elméleti Fizika Tanszékének professzora, aki tanácsadó professzor a brookhaveni RIKEN magfizikai kutatóközpontban. Az RHIC-programban dolgozik Dávid Gábor magyar származású kísérleti fizikus is, a PHOENIX detektor vezető konstruktőre.

Fekete lyukak, különcök, világvége

Veszélyesek-e ezek a kísérletek, amelyek az Univerzum legmélyebb titkaiba engednek bepillantást? Mint arról korábban beszámoltunk, előbb apró fekete lyukak, majd az ún. "különcök" keletkezésétől tartott a tudóstársadalom egy része, s aggodalmuk a közvéleményre is átragadt.

Stephen Hawking, korunk egyik legjelentősebb fizikusa egyik elméletében feltételezte, hogy mikroszkopikus méretű fekete lyukak keletkezhettek az Univerzum kialakulása során. Hogyan viselkedne egy mikroszkopikus fekete lyuk? Miután ezek az objektumok forrók (ellentétben a csillagfejlődés során keletkező "hideg", nagyméretű társaikkal), elnyelnek ugyan anyagot, de intenzíven sugároznak. Így rövid időn belül az összes elnyelt energiát kisugározva "halk pukkanással" eltűnnek. Néhány tudós úgy gondolta, hogy ha mesterségesen, laboratóriumi körülmények között adnánk életet egy ilyen objektumnak, az rohamosan növekedne, bekebelezve mindent és mindenkit, ami az útjába kerül. Hogy ez mégsem igaz, annak ékes bizonyítéka a hozzánk legközelebbi égitest, vagyis a Hold létezése, amelynek felszínét folyamatosan bombázzák az óriási energiájú kozmikus sugarak. Ezekhez képest a legnagyobb gyorsítók energiái is eltörpülnek. Ha ilyen mikroszkopikus méretű fekete lyukak valóban keletkezhetnének, akkor már régen megjelentek volna, s nem létezne se Hold, se Föld, se Naprendszer.

A brookhaveni kísérlet híre újra kiváltotta a fekete lyukak iránti érdeklődést, majd a rémhírek villámgyorsan elterjedtek az interneten, a nyomtatott sajtóban és a hagyományos média más területein is. Az általános őrület közepette a fizikusok összeszedték magukat, s szerte a világon figyelmeztettek rá, hogy a fekete lyukak keletkezéséhez fűzött félelmek megalapozatlanak.

Egyes kutatók azonban egy másik veszélyforrásra is felhívták a figyelmet. Szerintük az ütközések miatt az anyag eddig ismeretlen formája jöhet létre, amely egyesítheti magában az ún. kvarkok három típusát: a fel-, le- és az s-kvarkokat. Az előbbi két kvark az atommagban található protonok és neutronok szokványos építőkockája, az s-kvark azonban igen ritka jelenség az Univerzumban, s csak igen rövid életidejű, különleges részecskékben fordul elő. A feltételezett új anyag darabjai "különcök" (vagy "kvark-rögök") néven váltak ismertté.

A fizikusok azonban 15 éve keresik az anyag ezen új formáját - éppen a brookhaveni gyorsítóban -, és eddig a legalaposabb mérésekkel sem akadtak a nyomára. A legszörnyűbb forgatókönyv szerint a különcök hosszú életidejű, negatív töltésű változatai jönnének létre, amelyek magukba olvasztanák azokat az atommagokat, amelyekkel kölcsönhatásba kerülnének (az atommag a protonok miatt pozitív töltésű). E hipotetikus különcök létezése azonban éppúgy veszélyeztettek volna égi kísérőnket, mint a fekete lyukak.

A várható haszon

Nos, az RHIC kísérletei a sok hűhó után végre 2000. június 10-én megkezdődtek, s mivel egyelőre életben vagyunk, nagyon nagy dráma még nem történhetett. Ha keletkeztek is fekete lyukak vagy "különcök", egyelőre nem hallatnak magukról.

"Nem lett világvége, de nem is vártam ilyesmit" - írta az [origo]-nak Gyulassy professzor. "Az emberek már évezredek óta várják a világvégét, s mintegy 5 milliárd éve, amikor a Nap kifogy az "üzemanyagából", ez valóban bekövetkezik. Addig azonban élvezhetjük a rettenetesen érdekes matematikai és fizikai felfedezéseket. Az RHIC "masinával" most egy egészen új irány nyílik ki számunkra, s mindenki nagyon örül, hogy elkezdődtek a kísérletek. Visszacsavarjuk az időt 15 milliárd évvel és az ősanyaggal találkozunk. Ez egy nagyon érdekes anyag, de nem kell félni tőle!"

Lévai Péter, aki CERN-ben folyó munkában elméleti oldalról vesz részt, illetve dolgozott Brookhavenben is, a kísérletek várható hasznáról elmondta, hogy ezek mind elméleti, mind gyakorlati téren igen jelentősek lehetnek. Az RHIC berendezései a mai technika egyik csúcspontját jelentik, s a kísérleti lehetőségek mai maximumát nyújtják. Sokat tanulhatunk a korai Univerzum fejlődéséről - az Ősrobbanást követő 1 millimod másodpercig hatolva vissza az időben -, illetve a részecskefizika standard modelljének tesztelése is lehetségessé válik. Új, kollektív jelenségeket fedezhetünk fel, miközben az anyag szélsőséges állapotban való viselkedését tanulmányozzuk.
A gyakorlati haszon is ígéretes: a kísérletek megvalósítása olyan technikai kihívást jelent - például az adatfeldolgozási és adatkezelési eljárások terén - amelynek tapasztalatait az űrkutatástól az orvosdiagnosztikáig számos területen tudjuk majd hasznosítani. "Az RHIC most átvette a stafétabotot a CERN-től, de 2007-ben visszaadja neki, hogy az LHC-vel folytassuk az anyag mikroszerkezetének kutatását" - mondta a kutató.

A Természet Világa Mikrokozmosz című, várhatóan szeptemberben megjelenő különszámában számos érdekes cikk lesz olvasható a fenti témákról.

Ajánló:

A CERN-ben lefolytatott kísérletek eredményei. A kísérletek megkezdéséről hírt adó sajtóanyag, a detektorok első észleléseivel.

Korábban:

2000. január 7. A brookhaveni kísérletekben mégsem keletkezhetnek fekete lyukak. Helyettük azonban az anyagnak egy eddig ismeretlen, roppant veszélyes változata jöhet létre, az ún. "különcök" formájában. A fizikusok szerint azonban ennek igen csekély a valószínűsége, s még ekkor sem jelent fenyegetést. 2000. február 10. A CERN tudósai olyan fizikai körülményeket idéztek elő kísérleteik során, amilyenek közvetlenül az Univerzum születése, az ősrobbanás után uralkodhattak. A részecskegyorsítóban létrejött a kvark-gluon plazma nevű anyag, amely 15 milliárd év után először létezett ismét a Világegyetemben.