Magyar részvétellel fedezték fel az univerzum ősanyagát

Az amerikai Brookhaven Nemzeti Laboratórium (BNL) RHIC gyorsítója (Relativistic Heavy Ion Collider, Relativisztikus Nehézion-Ütköztető) mellett működő négy kísérleti csoport közös bejelentést tett: az ütköztetett nagyenergiás nehéz atommagokból sikerült előállítaniuk az anyagnak egy új, forró és sűrű állapotát. Az anyagnak ez az új formája az atommagok már ismert elemi építőköveiből, kvarkokból és gluonokból áll, viszont tulajdonságai jelentősen eltérnek az elméleti jóslatoktól, és igen figyelemreméltóak mivel a nehézion-ütközésekben keletkezett anyag nem szabad kvarkok és gluonok alkotta ideális gázként, hanem folyadékként viselkedik– olvasható a kfki.hu-n. A négy cikket, amelyeken a RHIC négy nagy nemzetközi kísérleti együttműködése közel egy éve dolgozik, a Nuclear Physics folyóirat egyszerre fogja közölni.

Döbbenetes felfedezés és a tízdimenziós húrelmélet

„A RHIC-nél tett döbbenetes felfedezés szerint az aranyionok ütközésekor keletkező anyag inkább folyadék, mint gáz. Ez alapos betekintést nyújt a Világegyetem keletkezésének legelső pillanataiba” – mondta Dr. Raymond Orbach, az amerikai Energiaügyi Minisztérium Tudományügyi Hivatalának igazgatója.

A RHIC melletti kutatásokat figyelemmel kísérők számára nagyon érdekes az a kapcsolat, amely a gyorsító eredményei és a húrelméleti számítások között körvonalazódik. Ezek a számítások az univerzum alapvető tulajdonságait próbálják megmagyarázni a szokásos három térdimenzió és egy idődimenzió helyett 10 dimenzió feltételezésével.

„A húrelmélet és a RHIC ütközéseinek fizikája közti kapcsolat lehetősége váratlan és roppant lelkesítő” – mondta Dr. Orbach. „A húrelmélet arra törekszik, hogy egyesítse a 20. századi fizika két intellektuális csúcsteljesítményét, az általános relativitáselméletet és a kvantummechanikát, így hatalmas jelentősége lehet a 21. század fizikájában” – tette hozzá.

Az RHIC-nél tett megfigyelések egy része egybevág az úgynevezett kvark-gluon plazmára vonatkozó korábbi elméleti jóslatokkal. A kvark-gluon plazma az anyag olyan állapota, amely a feltételezések szerint néhány mikroszekundummal (milliomod másodperccel) az univerzum keletkezése, a Nagy Bumm után létezhetett.

Elérték a Nap hőmérsékletének százötvenezerszeresét

„Tudjuk, hogy elértük azt a hőmérsékletet (a Nap közepében uralkodó hőmérsékletnek közel százötvenezerszeresét) és energiasűrűséget (egységnyi térfogatban foglalt energiamennyiséget), amely az elmélet szerint szükséges a kvark-gluon plazma létrehozásához” – mondta el Sam Aronson, a BNL Nagyenergiás- és Magfizikai Igazgatóságának vezetője. A RHIC 2000. júniusi indulásától 2003-ig gyűjtött adatok elemzése azonban azt mutatja, hogy a gyorsító frontális arany-arany atommag-ütközéseiben keletkező anyag inkább folyadékra, mint gázra hasonlít.

A mérések azt jelzik, hogy az ütközésben keletkezett eredeti részecskék kollektíven együtt mozognak, a nehéz atommagok ütközésekor kialakuló nyomásváltozásokra reagálva. A fizikusok ezt a jelenséget „folyás”-nak nevezik, mert a jelenség a folyadékok mozgásához hasonló. Azonban míg a közönséges folyadékokban az egyes molekulák véletlenszerűen mozognak, a RHIC-nél keletkezett forró anyag mozgása a részecskék közti nagy mértékű koordinációra utal – valahogy úgy mozognak, mint egy halraj, amely szinte egyetlen élőlényként változtat irányt, miközben környezetének változásaihoz alkalmazkodik.

Ez a legtökéletesebb folyadék?

Ez egy olyan folyadék áramlásának felel meg, amelyik szinte „tökéletes” – tette hozzá Aronson. Ez alatt azt érti, hogy a mozgása leírható a relativisztikus folyadékdinamikai egyenletek segítségével. Azon folyadékok „tökéletesek”, amelyeknek rendkívül alacsony a viszkozitása (belső súrlódása), és a részecskéik közötti kölcsönhatás erőssége folytán nagyon gyorsan elérik a hőmérsékleti egyensúlyt. Bár a RHIC-nél a fizikusok nem tudják a viszkozitást közvetlenül megmérni, a folyás tulajdonságainak kvalitatív vizsgálatából arra lehet következtetni, hogy a viszkozitás a kvantummechanikai alsó határt megközelítően roppant alacsony.

„A kollektív kölcsönhatás mértéke, a gyors felhevülés és a rendkívül alacsony viszkozitás miatt a RHIC-nél megfigyelt folyadék anyag az eddig megvizsgált anyagok közül a leginkább közelít a tökéleteshez” – jelentette ki Aronson.

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 Aronson. Sok tudós ért egyet ezzel, és jelenleg is folynak a RHIC-nél a részletesebb mérések a kérdés eldöntésére. Az elméleti fizikusok, akiknek szokásos számolási módszerei nem működnek a kvarkok és gluonok között a RHIC-nél megfigyelt erős csatolás esetén, szintén felülvizsgálják korábbi modelleiket és jóslataikat.

Magyar részvétel a kutatásban Az RHIC hátterében négy nagy nemzetközi kísérleti együttműködés (köztük a PHENIX) zajlik. A mostani felfedezésben a magyar kutatók jelentős és nemzetközileg is elismert szerepet játszanak – írja Csörgő Tamás a kfki.hu-n. A PHENIX kísérletben három magyar intézmény: a Debreceni Egyetem, az ELTE és a Magyar Tudományos Akadémia KFKI Részecske és Magfizikai Kutató Intézet munka- társai és doktoranduszai vesznek részt, a PHENIX-Magyarország együttműködés keretében. A Dávid Gábor vendégprofesszor által vezetett debreceni csoport lényegesen járult hozzá az arany-arany ütközésekben keletkező új anyag azonosításához a részecske- sugarak elnyelődését vizsgálva. Az ELTE és a KFKI RMKI kutatói főleg az ütközések frontálisságának meghatározásához, és a folyadékkép érvényességének kísérleti igazolásához járultak hozzá.