A légörvénybe került ősleves, avagy a kvarkanyag átalakulásának jelei

A Brookhaveni Nemzeti Laboratórium STAR kísérlete

Az amerikai Relativisztikus Nehézion-ütköztető (Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC) fizikusai úgy vizsgálják az atommag anyagát, hogy arany atommagokat ütköztetéssel extrém hőmérsékletűvé hevítenek. Kutatásuk valójában utazás a maganyag fázisain át – ahogy Világegyetemünk is megtette ezt az utat a születése utáni első ezredmásodpercben. A kutatók most a fázisok közötti, régóta keresett „kritikus pont" izgalmas jeleire bukkantak. Az eredményeket 2021 márciusában jelentették meg a Physical Review Letters folyóiratban. A STAR-kutatás segít megérteni a Világegyetem fejlődését és a neutroncsillagok magjában uralkodó körülményeket is.

A RHIC legnagyobb energiájú ütközései megolvasztják az atommagok protonokból és neutronokból álló anyagát, ilyenkor jön létre a különleges kvark-gluon plazma (QGP). A kutatók szerint a Világegyetemet is ez az anyag töltötte ki az Ősrobbanás utáni első ezredmásodpercben. Később ez az anyag lehűlt, és a benne lévő kvarkokat a gluonok protonokba, neutronokba, majd atommagokba „ragasztották".

A RHIC-nél létrehozott kvarkanyag apró cseppjei azonban rendkívül kicsinyek, alig 0,0000000000001 cm átmérőjűek, és csak 10^-23 másodpercig (azaz 23 nulla van az egyes előtt!) léteznek, ezért igen nehéz beazonosítani az anyag tulajdonságait és hagyományos anyaggá alakulásának paramétereit.

Feltételezések szerint a halmazállapotok (fázisok) közötti átalakulásokat bemutató fázisdiagramon létezhet egy úgynevezett kritikus pont – ennek keresése napjaink nagyenergiás nehézion-fizikai kísérleteinek legfontosabb célja. Nem ismert, hogy milyen ütközési energián érhető el ez a bizonyos kritikus pont, ezért indította el a RHIC a nyalábenergia-letapogató programját, és építenek új gyorsítókat Németországban, Oroszországban és Japánban.

A kutatók a RHIC nyalábenergia-letapogató (Beam Energy Scan, BES) program első szakaszában a 2010–2017 között gyűjtött adatokat vizsgálták, az atommagütközésekben keletkező részecskéket elemezték. A protonok és antiprotonok számának különbségét, azaz a „nettó" protonszámot határozták meg. Elméleti jóslatok alapján a nettó protonszám eseményenként egyre jobban ingadozik, ahogy a "kritikus ponthoz" közelítünk. Az ingadozás oka a kvarkokat és gluonokat irányító erős kölcsönhatás (a kvantum-színdinamika, azaz QCD). Eszerint a normál maganyag (amelyet „hadronok" alkotnak, azaz például protonok és neutronok) kétféle módon alakulhat át QGP állapotba.

A kísérleti és elméleti eredmények szerint az átmenet folytonosnak tekinthető nagy hőmérsékleten, ahol a proton és az antiprotonok nagyjából egyformán jelennek meg (azaz a nettó barionsűrűség közel nulla). Ilyen esetben a protonok fokozatosan olvadnak meg, ahogy a kint hagyott vaj egy meleg napon.

A Brookhaveni Nemzeti Laboratórium STAR kísérlete Forrás: ELTE

Alacsonyabb ütközési energiákon ugyanakkor elsőrendűnek nevezett fázisátalakulásra számítunk – ez az erőteljes változás következik be például akkor is, amikor a víz felforr, és molekulái megszöknek az edényből, gőzt létrehozva.

A két tartomány között, közepes ütközési energián létezhet a "kritikus pont", ahol az úgynevezett másodrendű átalakulás következne be.

Magfizikusok megjósolták, hogy a QGP-hadron-átmenetben mért nettó protonkeletkezés jelentősen megváltozik, ahogy az ütközések megközelítik a kritikus pontot.

„Nagy energiákon csak egy halmazállapot van. A rendszer többé kevésbé invariáns, normális – magyarázza Nu Xu, a Lawrence Berkeley Nemzeti Labroatórium kutatója, a kutatás vezetője. – Ugyanakkor, ha alacsony ütközési energián vagyunk, akkor a nettó barionsűrűség nő, és változik az anyag szerkezete, ahogy áthaladunk a fázisátmenet területén. Ez ahhoz hasonló, mint amikor a repülő turbulenciába kerül. Érzékeljük az ingadozásokat, bumm-bumm-bumm. Ahogy áthaladtunk a turbulencián – az állapotváltozásokon –, visszatérünk a normális, egyfázisú állapotba."

Az izgalmas jelek ellenére a STAR kutatói elismerik, hogy az adatok még erősen bizonytalanok. Azt remélik, hogy a BES második fordulójában, 2019–2021 között felvett adatok már lényegesen precízebb eredményeket fognak hozni. „Az analízisben az egész STAR együttműködés részt vett, nagyon igyekeztünk, hogy minden részlet rendben legyen, és nagyon várjuk a következő kísérleti forduló eredményeit.

Feltérképezetlen vidéken járunk"

– mondja Nu Xu.

Magyar részvétel

A Brookhaven Nemzeti Laboratórium (BNL) Relativisztikus Nehézion-ütköztető (RHIC) STAR kísérletét a nemzetközi STAR együttműködés irányítja.

A kísérletben részt vesz az ELTE RHIC-Magyarország kutatócsoportja is a Felsőoktatási Intézményi Kiválósági Program (FIKP) Asztro- és Részecskefizikai Tématerületének keretein belül, a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal részleges támogatásával. A RHIC-Magyarország csoport vezetője, az ELTE TTK Atomfizikai Tanszék egyetemi docense, Csanád Máté a kézirat belső bírálatában működött közre. A csoport ezen kívül a következő körös analízishez az úgynevezett Eseménysík Detektor (EPD) fejlesztésén dolgozik, illetve kvantumstatisztikai, más néven femtoszkópiai analízist végez a RHIC PHENIX kísérlete után a STAR kísérletben is.

Az ELTE kutatói (Kincses Dániel, Pintér Roland, Csanád Máté) a STAR-kísérlet előtt Forrás: ELTE

Reményeink szerint femtoszkópiai kutatásaink segítségével sikerül azonosítani a kritikus pontot, illetve megtalálása esetén annak tulajdonságait is meg tudjuk majd határozni"

– mondja Csanád Máté.