Kvarkanyagcseppeket észlelt a PHENIX?

A PHENIX detektorrendszerének fényképe, illetve egy ütközésben keletkezett és a detektorok által észlelt részecskék rekonstruált pályája.

Az ELTE kutatói is közreműködtek az amerikai Relativisztikus Nehézion Ütköztetőben végzett kísérletekben, amelyek arra utalnak, hogy kisméretű ütközésekben is kvarkanyag (QGP) jön létre.

A Csanád Máté, az ELTE Atomfizikai Tanszék egyetemi docense által vezetett PHENIX-Magyarország csoport is részt vett az amerikai Brookhaveni Nemzeti Laboratórium (BNL) PHENIX nevű kísérletében, amelyben a tudósok részecskék korrelált áramlását tárták fel a legalacsonyabb energiájú, kisméretű ütközésekben is a Nagy-Bumm részecskeütköztetőnél.

A New York állambeli Uptonban a Relativisztikus Nehézion-ütköztetőben (RHIC, amely az Amerikai Energiaügyi Minisztérium Brookhaveni Nemzeti Laboratóriumának magfizikai kutatási nagyberendezése) a kis deuteronok nehéz atommagokkal való ütközései során sokféle (ismert típusú) részecske keletkezik.

A BNL gyorsítókomplexum Forrás: BNL

A korai univerzum anyagai

Ezek a részecskék még a legalacsonyabb ütközési energiák esetén is olyan viselkedést mutatnak, amelyből az anyag alapvető építőköveiből (kvarkokból és gluonokból) álló „ősleves" keletkezésére következtethetünk. A RHIC PHENIX kísérlete által kapott eredmények arra utalnak, hogy ezekben a kisméretű ütközésekben olyan apró, rövid élettartamú

kvarkanyagcseppek keletkeznek, amelyek a korai univerzumban megtalálható anyagra hasonlítanak.

A világegyetemünk nagyjából 13,7 milliárd éves, csillagok és galaxisok alkotják. Nem volt ez azonban mindig így: az első csillagok néhány száz millió évvel az ősrobbanás után gyulladtak ki. Az ősrobbanás utáni első pillanatokra visszamenve azonban egyre érdekesebb jelenségeket láthatunk: egymilliomod másodperccel az ősrobbanás után még maguk a protonok és neutronok (összefoglaló néven nukleonok) sem létezhettek, hanem az őket alkotó

kvarkok és gluonok őslevese (a kvark-gluon plazma, avagy QGP) töltötte ki a világegyetemet.

„Ahhoz, hogy ezt az őslevest megfigyeljük, az akkor jelenlévőhöz hasonló körülményeket kell teremteni. Ez extrém hőmérsékletet és nyomást jelent, amelyet ultrarelativisztikus sebességre gyorsított atommagok (nehézionok) ütköztetésével érhetünk el. Az ütközési pont köré rendezett detektorainkba érkező részecskéket vizsgálva érdemi információt kaphatunk arról, hogy milyen is volt az anyag, amely közvetlenül az ütközés után létrejött" – magyarázza Csanád Máté atomfizikus.

A PHENIX detektorrendszerének fényképe, illetve egy ütközésben keletkezett és a detektorok által észlelt részecskék rekonstruált pályája. Forrás: Joseph Rubino Photography/Joseph Rubino Photography

„A RHIC gyorsító kísérletei az adatokat elemezve összecsengően állapították meg 2005-ben, hogy arany atommagok 200 gigaelektronvolt nukleononkénti ütközéseiben sikerült ezt a régi-új anyagot, a QGP-t létrehozni.

Az azonban mindeddig talányos volt, hogy alacsonyabb ütközési energián vagy kisebb ütköző rendszerek esetén is létrejön-e a QGP. A mostani eredmények arra utalnak, hogy mindkét kérdésre "igen" a válasz, ugyanis deuteron-arany ütközésekben, az eredeti ütközési energia egytizedén is a QGP jeleit látjuk"

- folytatta a kutató.

A PHENIX kísérleti együttműködés a Physical Review Letters (PRL) és a Physical Review C (PRC) szakmai folyóiratokban közölte eredményeit, továbbá 2017 szeptemberében egy Krakkóban megrendezett konferencián is bemutatták őket.

A működés még nem világos

„Sok év után megértettük, hogyan kell felismerni, ha az ütközések során QGP keletkezik, de ez még nem jelenti azt, hogy értjük is, hogyan működik. Próbáljuk megérteni, hogy a tökéletes folyadékviselkedés hogyan jelenik meg, és miként változik. Amit most csinálunk – csökkentjük az ütközési energiát és a nehézionnal ütköztetett atommag méretét – azt szolgálja, hogy megértsük, hogyan jelenik meg ez a viselkedés különböző körülmények között.

A Relativisztikus Nehézion-ütköztető az egyetlen ütköztető a világon, ahol széleskörűen lehet tanulmányozni a különböző ütközési energiákat, illetve ütköztetett részecsketípusokat"

– mondta Julia Velkovska, a PHENIX kísérlet helyettes szóvivője.

Az univerzum története az ősrobbanástól Forrás: ELTE

A RHIC kutatásait támogatja többek között a Magyar Tudományos Akadémia, a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (korábban OTKA), a Magyar-Amerikai Fulbright Bizottság, a Magyar-Amerikai Vállalkozási Ösztöndíj Alap illetve az Emberi Erőforrások Minisztériumának „Új Nemzeti Kiválóság" programja.

Az analízisben a magyar csoport részéről Csörgő Tamás, az Európai Tudományos Akadémia tagja, a Wigner Fizikai Kutatóközpont tudományos tanácsadója és az Eszterházy Károly Egyetem kutatóprofesszora, az ELTE címzetes egyetemi tanára, a PHENIX-Magyarország korábbi vezetője a munka belső bírálati bizottságának (IRC) elnökeként vett részt. A kísérletben az ELTE is közreműködött az Atomfizikai Tanszék PHENIX-Magyarország csoportja és a BNL, valamint a PHENIX között fennálló kétoldalú szerződés részeként.

A PHENIX kísérlet detektorait 2016-ban szétszedték, hogy egy továbbfejlesztett, igazából teljesen új detektorrendszernek, az sPHENIX-nek adjon helyet. Ez a detektor fejlesztés alatt áll, így a PHENIX kutatói a következő 1-2 évben a már felvett adatok elemzésére koncentrálnak majd.
A Csanád Máté által vezetett PHENIX-Magyarország csoport honlapja itt érhető el, a kutatásról kiadott magyar nyelvű sajtóanyag pedig innen tölthető le