Úgy tűnik, kvarkanyag-cseppeket észlelt a PHENIX

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

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

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. 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 kvarkanyag-cseppek keletkeznek, amelyek a korai univerzumban megtalálható anyagra hasonlítanak.

A világegyetemünk ma nagyjából 13,7 milliárd éves, csillagok és galaxisok alkotják. Ez azonban nem volt mindig így: az első csillagok néhány százmillió 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.

Deuteron-arany ütközések hidrodinamikai szimulációja látható ezen az ábrán. Az egyes panelek különféle időpontokban mutatják az ütköző nyalábokra merőleges síkban  vett  hőmérsékletet  (1  fm/c  3×10^-24 másodpercnek, 1 GeV pedig körülbelül 10¹³ Kelvinnek  felel  meg).

„Ahhoz, hogy ezt az őslevest megfigyeljük, az akkor jelenlévőhöz hasonló körülményeket kell teremteni. Ez extrém hőmérsékletet és nyomást jelent, amelyet ultra-relativisztikus 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. 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” – magyarázza Csanád Máté atomfizikus.

Az egyes paneleken a különféle ütközési energiákon megfigyeltek láthatóak. A középső oszlop ábrái a szimulált d+Au  ütközésekben megjelenő kvarkokat mutatják. A jobb oldali ábrákon az elliptikus áramlás PHENIX-ben mért értéke látható (az adatpontokon), elméleti előrejelzésekkel (görbék) összevetve.

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 azokat.

„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 részecske típusokat” – mondta Julia Velkovska, a PHENIX kísérlet helyettes-szóvivője.

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.