Gongütés a kis ősrobbanások előtt

November első napjaiban újra Európába került az Univerzum ősanyaga, a kvark-gluon-plazma kutatásának súlypontja. A CERN nagy hadronütköztetőjében körülbelül százezerszer magasabb hőmérsékletet hoznak létre, mint ami a Nap magjában jellemző. Ilyen állapotok utoljára az Ősrobbanáskor léteztek.

Bebörtönzött részecskék

Az elmúlt évtizedekben bebizonyosodott, hogy az erős kölcsönhatásban résztvevő részecskék nagy családjának valamennyi tagja kvarkokból áll, ezeket nevezzük hadronoknak. A fizika ma 6 féle alapvető kvarkot és ezek antirészecskéit ismeri, és nem számítunk újabbak felfedezésére. A mezonokként ismert részecskéket egy kvark és egy antikvark, a barionokat (mint pl. a protont és a neutront) 3 kvark, az antibarionokat pedig 3 antikvark alkotja. Intenzív kutatás folyik azon hadronok után, amelyeket más kvark-kombináció jellemez - mint például a tetrakvark állapot 2 kvarkkal és 2 antikvarkkal -, de ezek létezése egyelőre nem bizonyított.

A kísérleti fizikusok természetes törekvése volt, hogy az eleminek tartott részecskéket még kisebb alkotórészekre szedjék szét. Korábban az atomot atommagra és héjra, később az atommagot protonokra és neutronokra bontották. A hadronok további szeletelése, szabad kvarkok előállítása azonban minden eddigi erőfeszítés ellenére sem sikerült.

Úgy tűnik, hogy a kvarkok be vannak börtönözve a protonokban, neutronokban és a többi, kevésbé hétköznapi részecskében. A kvarkok közti erőhatás, az erős kölcsönhatás tulajdonságainak feltárásáért ítélték oda 2004-ben három kutatónak a fizikai Nobel-díjat. A számítások szerint ahogy a kvarkok távolodnak egymástól, úgy erősödik köztük az összetartó erő (ezt egy hétköznapi példával úgy tudjuk elképzelni, hogy a gumiszalag is egyre nagyobb erővel akar összehúzódni, ahogyan nyújtjuk). Így már érthető, miért nem sikerült eddig kiszabadítani a kvarkokat. Csak nagyon nagy energiákon remélhetjük, hogy átmenetileg, nagyon rövid időre szabaddá válnak.

Korábbi próbálkozások a CERN-ben

Korábban a CERN szuper-proton-szinkrotronjánál (SPS) előbb az NA35, majd az NA49 jelű kísérlet keretében próbáltak meg kvark-gluon plazmát létrehozni, előbb kén-, majd ólom-atommagok ólom céltárggyal való ütköztetésével. A magyar kutatók egyénileg már az 1980-as évek elejétől részt vettek az NA35, majd az NA49 kísérlet létrehozásában. Magyarország 1992-ben lépett be a CERN-be hivatalosan, ezután már kutatócsoportként is közreműködhettünk a kísérletben. Előbb a KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet (RMKI) munkatársai csatlakoztak az akkor már javában épülő NA49 kísérlethez. Később a debreceni Atommagkutató Intézet munkatársai is bekapcsolódtak a munkába.

A magyar kutatók építették meg a detektorrendszer egy fontos elemét, a "Budapest fal" névre keresztelt spektrométert. Az NA49 kísérletben ólom-ólom ütközéseket tanulmányoztak az SPS-ben előállított különböző gyorsítóenergiákon, és az eredményeket kisebb magok ütköztetésével is ellenőrizték (szén-szén, szilícium-szilícium, és iridium-iridium ütközéseket is vizsgáltak). Az SPS-nél működött hét kísérlet eredményeit összegezve 2000 februárjában bejelentették, hogy a több évig folytatott kísérletek eredményeként bizonyító erejű jelzését ("compelling evidence") találták a kvarkok kiszabadulásának. A fogalmazás óvatos volt, nem állították, hogy kvark-gluon plazmát hoztak volna létre, mert a kísérletekben a plazma állapot több fontos tulajdonságának meghatározására nem volt lehetőség. Ezután a kísérleteket leállították, részben az LHC építésének költségei miatt, részben a gyorsító átépítése miatt.

Közben azonban izgalmas elgondolás merült fel a kvark-gluon plazmával kapcsolatban, amelynek elméleti alapjait Fodor Zoltán és Katz Sándor dolgozta ki az Eötvös Loránd Tudományegyetemen. Eszerint éppen abban az energiatartományban, ahol az NA49 kísérlet működött, fellép egy érdekes fizikai jelenség a kvark-gluon plazma fázisátmeneteivel kapcsolatban, méghozzá jelentős mértékben megváltozik a fáziátalakulás jellege. Ezért 2007-ben a CERN elfogadott egy közös magyar-lengyel javaslatot a kísérletek folytatására. Az NA61-re átkeresztelt új kísérletben az elméleti háttér mellett a mérés lebonyolítását, valamint az adatfeldolgozó rendszer modernizálását is magyar szakemberek biztosítják. Ez ugyanaz az adatgyűjtő rendszer, ami az ALICE-t is kiszolgálja az LHC-ben, és ily módon sikerült megtízszerezni az adatfelvételi sebességet. A felújított NA49 detektorokkal és a modernizált SPS nyalábbal 2009-ben újraindultak a fix targetes ólom-ólom kísérletek. A kísérlet elvégzésében továbbra is meghatározó szerepe van a Vesztergombi György vezetése mellett dolgozó magyar csoportnak.

Korábbi próbálkozások a CERN-en kívül

A CERN SPS-nehézion programja 2002-ben lezárult, a méréseket már 2000-ben befejezték. A nehézion-fizikai kutatások súlypontja a New York közelében, Brookhavenben működő Relativisztikus Nehézion Ütköztetőhöz (angol rövidítéssel RHIC) tevődött át. A RHIC gyorsítónál 2002-ben aranyatommag-nyalábokat ütköztettek arany-nyalábokkal, az itt elért ütközési energia tízszer nagyobb volt, mint korábban a CERN-ben az SPS-nél. Ezekben az ütközésekben néhány pillanatra a Nap felszíni hőmérsékletét 300 milliószor meghaladó hőmérséklet lép fel. Szemléletesen úgy képzelhető el a jelenség, hogy az aranyatommagok, sőt az atommag alkotórészei, a protonok és neutronok "szétolvadnak", az így szabaddá váló kvarkok és gluonok sűrű "részecskelevest" alkotnak, ami maga a kvark-gluon plazma. A kísérleti megfigyelések alapján fogalmazták meg a következtetést: az arany-arany ütközésekben megfigyelt részecskeloszlások éppen olyanok voltak, mint amilyenekre az elméleti fizikusok a kvark-gluon plazma keletkezése esetén számítanak.

A RHIC gyorsítónál négy egymástól alaposan eltérő detektorrendszerrel rögzítik a folyamatok jellemzőit. A PHENIX kísérlet szerzői között 10 magyar kutató nevét találjuk, ők a PHENIX-Magyarország együttműködés keretében vesznek részt a kutatásokban. A PHENIX-Magyarország együttműködés a KFKI RMKI szervezésében és koordinálásával, az RMKI, az Eötvös Loránd Tudományegyetem és a Debreceni Egyetem részvételével jött létre.

Tökéletesen folyó ősanyag

A Brookhavenben dolgozó kutatók 2005-ben adtak hírt arról, hogy az anyag legelemibb összetevőire vonatkozó kísérleti adataik meglepő eredményt hoztak: a kvarkokból és gluonokból álló forró és sűrű anyagállapot nem gázként viselkedik, mint ahogy várták, hanem folyadékra emlékeztető tulajdonságai vannak. Korábban egyértelműen úgy vélték, hogy a szabaddá vált kvarkok és gluonok úgy viselkednek, mint az ideális gáz részecskéi. Ezzel szemben tökéletes folyadékként látszanak viselkedni. A tökéletes folyadékban nagyon kicsi a súrlódás, a folyadékrészecskék közt erős a kölcsönhatás, ezért gyorsan termikus egyensúlyba kerülnek. A részecskék mozgása egy halrajéra emlékeztet, amelyben a halak szinte egyetlen élőlényként változtatnak irányt, amikor környezetük változásaihoz alkalmazkodnak.

A kutatók még ekkor sem mondták ki, hogy már sikerült kvark-gluon plazmát létrehozniuk, csak hogy elérték azt az energiasűrűséget, amely a számítások szerint a kvark-gluon plazma létrehozásához szükséges. Lehet, hogy az anyag ezen új állapota valóban a kvark-gluon plazma egy formája, csak éppen nem olyan, mint amilyennek elképzeltük.

A további kísérletek során kiderült, hogy a jelenleg ismert legmagasabb hőmérsékleten (2 terakelvin felett) a kvarkfolyadék legalább négyszer tökéletesebben folyik, mint az addig "legszuperfolyékonyabbnak" ismert anyag, az ultrahideg, 4 kelvin alatti hőmérsékletű hélium.

A LHC-kísérletek

2009 végéig sem a CERN-ben, sem Brookhavenben nem jelentették ki, hogy sikerült egyértelműen előállítani a keresett kvark-gluon plazmát. Az LHC-hoz tervezett négy nagy kísérlet egyike, az ALICE remélhetően tisztázza a nyitott kérdéseket. Az ólom-ólom ütközésben az Ősrobbanás óta először koncentrálódik közel 1,2 petalelektronvolt energia kísérleti körülmények között.

Ennél a kísérletnél is hatalmas mennyiségben keletkezik majd feldolgozásra váró információ. Az adatgyűjtő rendszer egyik kulcseleme, a detektorok és a számítógépek között közvetlen kapcsolatot létesítő digital-data-link (DDL) magyar fejlesztés, az alapkoncepciótól a hardvergyártásig mindent az RMKI munkatársai készítettek el.

Az ütközésekből először a nagyon nagy részecskezáport keltő eseményeket válogatják le (triggerelés), mert ezek utalnak az úgynevezett centrális ütközésekre, amikor két atommag valóban telibe találja egymást, a legnagyobb energiájú állapotokat létrehozva. A másodpercenként bekövetkező körülbelül 8000 ütközésnek mintegy 10%-a lesz centrális ütközés. Az innen kirepülő részecskék vizsgálata alapján fedezhetik fel egyértelműen az ütközéskor nagyon rövid időre létrejövő szabad kvarkok és gluonok nyomait.

Nagy impulzusú részecskék vizsgálata, magyar részvétellel

A másodpercenkénti 800 centrális ütközés során várhatóan egyszer keletkeznek úgynevezett nagy impulzusú részecskék. Ezek megfigyelése árulhatja el a legtöbb információt az ütközések során várhatóan létrejövő, de nagyon rövid életideje miatt közvetlenül nem megfigyelhető kvark-gluon plazmáról.

2002-ben, az amerikai kísérletek során vált egyértelművé, hogy a nagy impulzusú részecskék vizsgálata alapvető fontosságú. Az eddigi amerikai kísérleteknél körülbelül 5 és 20 GeV között sikerült megfigyelni őket, és a kutatók azt remélik, hogy az LHC-ben akár 50-60 GeV-ig is sikerülhet ugyanez.

Ezért tervezik megépíteni a nagyon nagy impulzusú részecskéket azonosító VHMPID nevű aldetektort, amely utólag, várhatóan 2012-ben kerül majd beépítésre az ALICE-ba. A detektor triggerelő, azaz a nagyon nagy impulzusú részecskéket kiválogató részének fejlesztésében vesz részt a Lévai Péter vezette magyar ALICE-csoport egyik fele.

A csoport másik fele más módon keresi a kvark-gluon plazmában létrejövő nagyenergiájú kvarkok és gluonok nyomait: a centrális ütközések során létrejövő hatalmas részecskezáporból a már meglévő detektorok várhatóan 2009-től elérhető adatai alapján próbálják kiszűrni azokat a részecskéket, amelyek nagyenergiájú kvarkok és gluonok keletkezésére utalnak.

Az ALICE szívében

Az ólomionok gyorsítása - a protongyorsításhoz hasonlóan - többlépéses folyamat lesz a CERN-ben. 550 Celsius-fokon elpárologtatják az ólmot, majd elektromos árammal megfosztják az atomokat néhány (maximum 27) elektronjuktól. (Az ólom rendszáma 82, tehát atommagjában 82 proton található, az elektronfelhőben pedig 82 elektron.) Az ionokat 4,3 MeV/u energiára gyorsítják fel, majd egy szénfólián repülnek keresztül és újabb elektronokat veszítenek. (MeV/u: 1 nukleonra eső energia megaelektronvoltban; nukleonok: a protonok és neutronok az atommagban).

Az immár 54 pozitív töltéssel bíró ionokat ezután összegyűjtik, és a kisenergiájú iongyűrűben (LEIR) tovább gyorsítják őket. Az innen 5,9 GeV/u energiával kilépő ólomionok ezután egy újabb fólián áthaladva elveszítik maradék elektronjaikat is, és 82 pozitív töltéssel kerülnek át a szuper-proton-szinkrotronba (SPS). Az SPS 177 GeV/u energiával adja át az ionokat az LHC-nak, abban érik el az ólom ionok 2,76 TeV/u energiájukat.

Az ólom-ólom ütközésekben keresett kvark-gluon plazma létrehozása, tulajdonságainak részletes vizsgálata az anyagszerkezet legmélyebb rétegeit tárja fel, és egyúttal a Világegyetem őstörténetének kezdetéről is hírt ad. Az LHC kísérletei végre egyértelműen bebizonyíthatják, hogy a szabad kvarkok valóban létezhettek az Ősrobbanás utáni rövid időszakban, alátámaszthatják a korábbi, hasonló kíséretek eredményeit, és új ismereteket nyújthatnak a kvark-gluon plazmáról.

Újabb amerikai eredmények az Univerzum ősanyagáról (2010. február)

Az LHC ALICE kísérleténél a jelenlegi tervek szerint 2010 novemberében lesznek minden korábbinál nagyobb energiájú nehézion (ólom-ólom) ütköztetések. Ezek az Univerzum ősanyagának, a kvark-gluon plazmának kutatását célozzák.

Évek óta ugyanez a cél brookhaveni Relativisztikus Nehézion Ütköztetőben (RHIC), amely a napokban két fontos eredményt jelentett be. Egyrészt egy kísérleti hőmérsékleti rekordot: 4 billió Celsius-fokot hoztak létre a PHENIX-kísérletben (és ez nem az angol "billion" rossz fordítása, hanem valóban billió) - az Univerzum ősanyaga legalább ilyen forró volt. 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.

Mindkét eredményről részletes összeállítást készítettünk Posztobányi Kálmán fizikus kollégámmal, a RHIC-nél dolgozó magyar kutatók, Csörgő Tamás és Nagy Márton hathatós segítségével, amit ezúton is köszönünk.

Legalább négybillió Celsius-fokos volt az Univerzum ősanyaga
http://cernblog.wordpress.com/2010/02/23/legalabb-negybillio-celsius-fokos-volt-az-univerzum-osanyaga/

A PHENIX cikk
http://arxiv.org/abs/0804.4168

A szimmetriasértés buborékai a RHIC kvarklevesében
http://cernblog.wordpress.com/2010/02/23/a-szimmetriasertes-buborekai-a-rhic-kvarkleveseben/

A STAR cikk
http://arxiv.org/abs/0910.0464