Folyékony Világegyetem

Ismét együtt lépett a nyilvánosság elé az amerikai Brookhaven Nemzeti Laboratórium négy kutatócsoportja. Az anyag legelemibb összetevőire vonatkozó kísérleti adataik meglepő eredményét hozták nyilvánosságra, miszerint a kvarkokból és gluonokból álló forró és sűrű anyagállapot nem gázként viselkedik, mint ahogy várták, hanem folyadékra emlékeztető tulajdonságai vannak.

Brookhavenben arany atommagokat gyorsítanak fel igen nagy energiákra. Az arany-arany ütközésekben nagyon rövid időre olyan állapotok jönnek létre, mint amilyenek a Világegyetem történetének nagyon korai pillanataiban, az Ősrobbanás után mindössze néhány milliomod másodperccel létezhettek. Ekkor még nem alakultak ki az atommagok stabil összetevői, a protonok és a neutronok, viszont léteztek a protonok és a neutronok alkotóelemei, a kvarkok és a kvarkok közti kölcsönhatást közvetítő gluonok.

Az elmúlt évtizedekben bebizonyosodott, hogy az erős kölcsönhatásban részt vevő részecskék nagy családjának valamennyi tagja kvarkokból áll. A fizika ma hatféle kvarkot ismer, és nem számítunk újabbak felfedezésére. A kísérleti fizikusok természetesen a kettő vagy három kvarkból felépült részecskéket megpróbálták összetevőikre szétszedni. Korábban az atomot atommagra és elektronhéjra, később az atommagot protonokra és neutronokra bontották. Szabad kvarkot azonban minden erőfeszítés ellenére sem sikerült megfigyelni. Úgy tűnt, hogy a kvarkok be vannak börtönözve a protonokban és a többi részecskében. A kvarkok közti erőhatás tulajdonságainak feltárásáért ítélték oda tavaly három kutatónak a fizikai Nobel-díjat.

A számítások szerint ahogy a kvarkok távolodnak egymástól, úgy erősödik köztük az összetartó erő. Így már érthető, miért nem sikerült eddig kiszabadítani a kvarkokat. Nagyon rövid időre való szabaddá válásukat átmenetileg csak nagyon nagy energiákon remélhetjük.

Két éve arról számoltak be a kutatók, hogy új anyagállapotot hoztak létre (lásd korábbi cikkünket: Magyarok az Ősrobbanás nyomában). Óvatosan fogalmaztak: nem állították, hogy már sikerült egyértelműen megfigyelni kvark-gluon-plazmát, de az adatok arra utaltak, hogy sikerült a kvarkokat átmenetileg kiszabadítani "börtönükből". Az óvatosság indokolt, hiszen rendkívül bonyolult kísérletekről van szó. Az atommag-ütközésekben az atommagok átmenetileg összeolvadnak, s a kialakuló forró tűzgolyóban válhatnak szabaddá a kvarkok, majd újra összeállnak különböző részecskékké. A kísérleti eszközök ezeknek az ütközés után szerterepülő részecskéknek az adatait mérik, rögzítik. Az elméleti számítások pedig megadják, hogy mire lehet számítani, ha valóban létrejön a kvark-gluon-plazma.

Az elmúlt két évben gyűjtött adatok feldolgozása meglepő eredményhez vezetett. Korábban egyértelműen úgy vélték, hogy a szabaddá vált kvarkok és gluonok úgy viselkednek, mint az ideális gáz részecskéi. Ezzel szemben ideális folyadékként látszanak viselkedni. Az ideális folyadékban nagyon kicsi a súrlódás, a folyadékrészecskék közt erős a kölcsönhatás, ezért gyorsan termikus egyensúlyba kerülnek. Közelmúltban megjelent sajtóközleményükben találó hasonlattal írták le ezt az állapotot a kutatók: a részecskék mozgása egy halrajéra emlékeztet, amelyben a halak szinte egyetlen élőlényként változtatnak irányt, amikor környezetük változásaihoz alkalmazkodnak.

Megkezdődött az új kísérleti eredmények elméleti értelmezése. Olyan elméleti modelleket, leírásokat keresnek, amelyek jól adják vissza a megfigyelt jelenségeket. A csaknem tökéletes folyadék súrlódásának és más jellemzőinek számítására a húrelmélet számítási módszereit is bevetik. A húrelméletet eredetileg az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika egyesítésére kezdték kidolgozni. A részecskéket rezgő húrokként írják le, a megszokott 3+1 dimenzió helyett tíz dimenzióval számolnak.

A kutatók most sem mondták ki, hogy már sikerült kvark-gluon-plazmát létrehozni. Tudják, hogy elérték a Nap belsejében uralkodó hőmérséklet százötvenezerszeresét és azt az energiasűrűséget, amely a számítások szerint a kvark-gluon-plazma létrehozásához szükséges. "A jelenlegi eredmények nem zárják ki annak a lehetőségét sem, hogy az anyag ezen új állapota valóban a kvark-gluon-plazma egy formája, csak éppen nem olyan, mint amilyennek elképzeltük" - mondta Sam Aronson, a laboratórium egyik igazgatója.

A friss eredményeket összefoglaló négy tanulmányt a Nuclear Physics című rangos szakfolyóirat közli. A brookhaveni munkáknak és eredményeknek magyar elméleti és kísérleti fizikusok, a KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet (RMKI), az Eötvös Loránd Tudományegyetem és a Debreceni Egyetem kutatói is részesei. A fokozatosan kiépült kapcsolatokat 2003-ban intézményesítették, ekkor jött létre az RMKI szervezésében és koordinálásával a PHENIX-Magyarország együttműködés, létrehozásában nagy szerepe volt a Brookhavenben dolgozó magyar származású kutatóknak is. PHENIX a négy nagy brookhaveni program egyike, 12 ország 58 intézetének 510 kutatója vesz részt benne. A magyar témavezető Csörgő Tamás, az MTA doktora (RMKI).

Jéki László