Létrehozzák az Univerzum ősanyagát

A legmagasabb olvadáspontú fém a volfrám, amely 3380 Celsius-fok körül válik folyékonnyá. Ennél több mint egymilliárdszor volt forróbb az a különleges anyag, amely a születése utáni töredékmásodpercben töltötte ki a Világegyetemet, és amelyben még a protonok is olvadt állapotban voltak. Amerikai fizikusoknak sikerült elérni ezt a kezdeti fázist egy részecskegyorsítóban, és furcsa buborékokat fedeztek fel az ősanyagban.

Az Univerzum kezdeti eseménye (Big Bang, Ősrobbanás) után mindössze néhány milliomod másodpercig olyan állapotok léteztek, amelyekben a mai atommagokat felépítő protonok és neutronok sem tudtak összeállni. Ezt a két részecskét mindenki ismeri általános iskolai tanulmányaiból, azt azonban már kevesebben tudják, hogy ezek sem oszthatatlanok. A protonok és neutronok egyaránt 3-3 úgynevezett kvarkból állnak, amelyeket gluonok kötnek össze. A részecskefizika egyik nagy feladata, hogy pontosan megismerje ezeket az alkotóelemeket, mert ezáltal érthetnénk meg az anyag alapvető szerkezetét.

Szabad kvarkot azonban még senki nem figyelt meg természetes körülmények között, mert úgy tűnik, hogy a protonok igen stabilak és nem bomlanak el. A kvarkokat összekötő erő (amelyet a gluonok közvetítenek) igen erős, és minél jobban "ki szeretnénk szedni egy kvarkot" egy protonból, az annál jobban "vissza akar menni" (egyszerű hasonlattal olyan ez, mint a gumiszalag: minél inkább megnyújtjuk, annál inkább össze akar húzódni).

Hogyan lehetne hát az anyag szerkezetének mélyére pillantani? Ha ez sikerülne, minden bizonnyal olyan értékes tudásra tennénk szert, amelyet valamikor majd a gyakorlatban is alkalmazhatnánk. Eddigi tapasztalataink ugyanis erre utalnak: minél mélyebben ismerjük meg az anyagot, annál izgalmasabb alkalmazási lehetőségek nyílnak meg előttünk (jelenleg az anyagok atomi szinten való megmunkálásánál, azaz a nanotechnológiánál tartunk).

A megoldás egyszerűnek tűnik: hozzunk létre olyan állapotokat, amelyek a korai (tehát néhány milliomod másodperces) Univerzumban voltak jellemzőek. Ehhez ma gigantikus méretű részecskegyorsítókat és detektorokat kell építeni. Ezekben ütköztetnek össze nehéz atommagokat - például aranyat, ólmot -, és az ütközések pillanatában fellépő irdatlan energián és hőmérsékleten egy igen rövid időre elvileg ismét kialakulhat az Univerzum ősanyaga, a szabad kvarkokból és gluonokból álló kvark-gluon plazma (QGP).

Szimuláció a kvark-gluon plazma kialakulásáról

Évek óta ezzel próbálkoznak az amerikai Relativisztikus Nehézion Ütköztető (RHIC) részecskefizikusai, és nagyon komoly eredményeket értek el. 2005-ben felfedezték, hogy a kvark-gluon plazma nem gázként viselkedik (ahogyan korábban gondolták), hanem ez az eddig megfigyelt legtökéletesebb folyadék, amely lényegében belső súrlódás (viszkozitás) nélkül, tökéletesen áramlik, és egymáshoz erősen csatolódó kvarkokból és gluonokból áll.

"Már a korábbi kísérletek alapján tudtuk, hogy a RHIC arany-arany ütközéseiben új anyagforma jött létre, amely a várakozásoktól eltérően nem szabad kvarkok és gluonok gázaként viselkedik, hanem folyadék halmazállapotú. Bizonyítottuk már azt is, hogy ez a közeg kvarkok folyadéka. Azt találtuk, hogy ebben a tökéletesen folyó 'őslevesben' a kvarkok erősen csatolódnak egymáshoz" - mondta Csörgő Tamás professzor, az MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutató Intézet tudományos tanácsadója (aki egyben a Harvard University vendégkutatójaként a nagyenergiás fizika elméleti és kísérleti szakértője).

2010 elején két újabb eredményt közöltek az RHIC kísérletei alapján. Az egyik az, hogy 4 billió Celsius-fokos hőmérsékletet hoztak létre a PHENIX nevű detektorral végzett kísérletben, közel fénysebességgel haladó arany-atommagokat ütköztetve egymással. Ezzel hőmérsékleti világrekordot sikerült mérni, amely mintegy 700 milliószor magasabb a Nap felszínének 5800 kelvines hőmérsékleténél. Az Univerzum ősanyaga tehát legalább ilyen forró volt.

Látványos animáció az amerikai kísérletekről

Másrészt a STAR-kísérletben felfedezték, hogy az extrém magas hőmérsékleten megjelenő anyag belsejében olyan kis tartományok - "buborékok" - jönnek létre, amelyekben megsérülnek bizonyos alapvető természeti szimmetriák. Az ilyen buborékoknak fontos szerepet kellett játszaniuk az Univerzum igen korai korszakában, és az eredmények közelebb vihetnek bennünket olyan, a természetben létező aszimmetriák eredetének megértéséhez, mint például az anyag túlsúlya az antianyaghoz képest.

Csörgő Tamás, aki egyben a PHENIX kísérlet magyar csoportjának tudományos vezetője elmondta: a STAR kísérlet mérései arra utalnak, hogy a RHIC nehézion-ütközései során keletkező tökéletes folyadékban az alapvető természeti szimmetriákat, azaz a töltés- és tértükrözési szimmetriákat sértő buborékok keletkeznek. Vagyis ha felcserélik a bal és a jobb oldalt, valamint a pozitív és a negatív töltéseket, akkor a mért és a felcserélés után kapott állapot között eltérést, aszimmetriát tapasztalunk. Ez bizonyos mértékben hasonlít a világban megfigyelt olyan alapvető aszimmetriákra, mely szerint a természet törvényei az anyag-antianyag felcserélésre szimmetrikusak, a Világegyetemben mégis csak az anyag van meghatározó mennyiségben jelen, tehát ez a szimmetria sérül.

Vagyis közelebb jutottunk egy olyan alapvető kérdés megválaszolásához, hogy egyáltalán miért létezhet anyag az Univerzumban. Ha nem sérültek volna természeti szimmetriák az Ősrobbanás után, akkor egyenlő mennyiségben keletkezett volna anyag és antianyag, amelyek aztán kölcsönösen megsemmisítették volna egymást (pontosabban szétsugárzódtak volna), és ma az Univerzumot csak sugárzás töltené ki az egyelőre ismeretlen sötét anyag, csillagok, galaxisok, bolygók és a kedves olvasó helyett.

A RHIC kísérletei folytatódnak, de 2010 novemberében újabb szereplő kapcsolódik be a kutatásba: a CERN nagy hadronütköztetőjének ALICE detektora, a RHIC gyorsító által előállított ütközési energia tízszeresével. Vagyis ha minden jó megy, még mélyebben ásunk az anyag mélyére.

Mindkét új eredményről részletes beszámoló olvasható a magyar nyelvű CERN blogon.