Világképem - Kvark-időszak - Kvark-gluon plazma

Rieth József: Világképem - Anyagvilág - Háttérismeret

Kvark-gluon plazma

(<<< (Tartalomjegyzék) <<< Világképem <<<) Kvark időszak <<< Kvark < Kvark-gluon plazma >>> Hadron időszak

A kvark-gluon plazma (quark-gluon plasma, QGP) a kvantum-színdinamika egyik fázisa, ami igen magas hőmérsékleten, és/vagy igen nagy sűrűség esetén jön létre. Az anyagnak ez a fázisa (halmazállapota) gluonokból és (csaknem teljesen) szabad kvarkokból áll, és az anyag teljes, alapvető részecskéire való bomlását jelenti.

A plazma állapot különbözik az anyag normális, hadronokba zárt állapotától. (Hadron állapotban a kvark vagy egy antikvarkhoz csatolva mezonként, vagy két másik kvarkhoz csatolva barionként (mint proton, vagy mint neutron) van jelen a természetben, ami a kvarkok szabad mozgását teljesen meggátolja.) A kvark-gluon plazmában ezzel szemben a mezonok és a barionok elvesztik egyéniségüket és mind a kvarkok mind a gluonok szabadon mozoghatnak.

Az elmúlt évtizedekben bebizonyosodott, hogy az erős kölcsönhatásban résztvevő részecskék nagy családjának valamennyi tagja kvarkokból áll. A fizika ma 6 féle alapvető kvarkot ismer, és nem számítunk újabbak felfedezésére. A kísérleti fizikusok természetesen a 2 vagy 3 kvarkból felépült részecskéket megpróbálták összetevőire szétszedni. Korábban az atomot atommagra és héjra, később az atommagot protonokra és neutronokra bontották. Szabad kvarkot azonban minden erőfeszítés ellenére sem sikerült eddig megfigyelni.

Úgy tűnik, hogy a kvarkok be vannak börtönözve a protonokban, neutronokban és a többi, kevésbé hétköznapi részecskében. 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.

Ekkor jönne létre a szabad kvarkokból és gluonokból, az erőhatást köztük közvetítő részecskékből álló plazma, a kvark-gluon-plazma. A kvarkok kiszabadításához a relativisztikus energiájú nehézion-ütközések kínálják a legjobb lehetőséget. Részecskegyorsítóban nehézionokat - például arany- vagy ólomionokat - gyorsítanak nagy energiára, majd a felgyorsított nyalábokat ütköztetik az azonos anyagból álló céltárggyal vagy a másik nyalábbal.

Ólom-ólom ütközés. Az esemény során szabad kvarkok megjelenését várják

Az óriási energiájú részecskenyalábok egymással való ütközésekor rövid időre, átmenetileg olyan körülmények jönnek létre, mint amelyek a Világegyetem történetének kezdetén, az Ősrobbanás után néhány milliomod másodperccel (mikroszekundummal) létezhettek. Ekkor még nem alakultak ki az atommagok stabil összetevői, a protonok és a neutronok, viszont léteztek a protonok és a neutronok alkotóelemei, a kvarkok és a kvarkok közti kölcsönhatást közvetítő gluonok. Ezt az ősi "kvarklevest" már régóta szeretnék kísérleti úton létrehozni.

Hogyan vonatkozik a plazma név erre az állapotra?

Általában azt az állapotot nevezzük plazmának amelyben az egyéni részecskék elektrosztatikus töltését a többi jelenlevő töltés ernyőzi. Így Coulomb törvénye módosul, vagyis a töltés nagysága itt nem állandó, hanem az a többi töltés távolságától függ.

Az QGP-ben a kvarkok szín-töltése ugyancsak ernyőződik. Az azelőtt jól ismert plazma állapottal való hasonlatosság nemcsak ez, de különbség is van: míg a jól ismert plazmában a töltés abelian, a szín-töltés nem Abel-csoport.

Elméleti tanulmányozása

A perturbációszámítás, ami a QED igen fontos építőköve színtöltés esetére azok magas értéke miatt nem alkalmas. Ezért a fő elméleti eszköz a QGP tanulmányozására a rácsmértékelmélet Ez az elmélet volt, ami előre megjósolta a plazmaállapot (cca. 175 MeV energiának megfelelő) átmeneti transition hőmérséketét és azóta a QGP sok más tulajdonságát is. Az AdS/CFT (anti-de-Sitter space/conformal field theory közötti) megegyezés elvének a használata új lehetőségeket nyújt a számításokra.

Kvark-gluon plazma gerjesztése laborban

QGP képződik amikor két atommagnyalábot (175 MeV energiával) igen magas hőmérsékletre hevítve ütköztetünk. A CERN ólmot, a BNL aranyat használt erre a célra. A nyalábok nagy része átcsapódik egymáson, de az ütközés helyén egy izzó tűzgolyó, fireball létesül, amit saját nyomása felfúj és kiterjedés közben lehűl. Ennek a tűzgolyónak a tanulmányozása az ami az elméletet próbálja (teszteli), vagyis valóságát bizonyítja.

Hogyan illesztődik mindez a fizika többi törvényeihez?

A QCD a részecskefizika Standard modell elméletének egy része. Az elmélet többi részei az elektrogyenge kölcsönhatással és a neutrínóval foglalkoznak.

Az elektrodinamika elméletét kísérletileg, próbával (teszt) már néhány billiónyi (= amerikai trillió) pontossággal bizonyították, míg a gyenge kölcsönhatás elmélete néhány ezred pontossággal lett bizonyítva. Perturbáció számítások a QCD kísérletek eredményeivel néhány %-re egyeznek, de nem-perturbative szempontból még alig lett érintve.

A QGP alkotórésze a részecskefizikának, de hozzátartozik a véges hőmérséklet térelmélet (finite temperature field theory) kísérleti bizonyításának feladata is. Ez a fizikának az a része ami az anyag igen magas hőmérsékletű állapotával foglalkozik, ahonnan a világegyetem egy mikromásodperccel az ősrobbanás utáni állapotával kapcsolatos kérdésekre várunk választ.

A kvark-gluon plazma várt tulajdonságai - Termodinamika

A fázisátmenet 175 MeV energia körül történik, ami kb. 1 GeV/fm2 energiasűrűségnek felel meg. Az állapotegyenlet a nyomás és a hőmérséklet függvénye, amit rácsszámításokból állapítottak meg, de aminek eredményeit perturbáció (zavar) számításokkal is, meg a húrelmélet tételeivel is egyeztettek. Az összefüggés még jelenleg is tanulmány tárgya egyéb termodinamikai változókkal egyetemben.

Korábbi próbálkozások

Korábban a CERN szuper-proton-szinkrotronjánál (SPS) az NA49 jelű kísérlet keretében próbáltak meg kvark-gluon-plazmát létrehozni. Az SPS-ben ólom-ólom ütközéseket tanulmányoztak különböző energiákon, az eredményeket kisebb magok ütköztetésével is ellenőrizték (szén-szén és szilícium-szilícium ütközéseket is vizsgáltak). Az SPS-nél 2002 februárjában bejelentették, hogy az anyag egy új állapotát figyelték meg. A fogalmazás óvatos volt, nem állították, hogy kvark-gluon-plazmát hoztak volna létre.

A CERN SPS-nehézion programja 2002-ben lezárult, a méréseket már 2000-ben befejezték. A nehézion-fizikai kutatások központja 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.

Az ALICE detektor. A várakozások szerint ez a berendezés fogja észlelni a kvark-glüon-plazmát

A RHIC gyorsítónál három, egymástól alaposan eltérő detektorrendszerrel rögzítik a folyamatok jellemzőit. A 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.

Folyás

A folyással kapcsolatos számításokhoz az állapotegyenlet ismerete fontos. Az eddigi számítások azt mutatják, hogy a plazma folyadékként viselkedik. Ez a nézet azonban változhat.

Tökéletesen folyó ősanyag

A Bookhavenben 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 ideális folyadékként látszanak viselkedni. Az ideális 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.

Gerjesztési, excitation spektrum

Biztos-e, hogy a QGP valóban (csaknem) szabad gluonokból és kvarkokból áll, illetve ezeket tartalmaz? Bár a kutatók meg vannak róla győződve, a kérdés túlegyszerűsítés. Egyrészt az elmélet még forrásban van, másrészt olyan vélemény is van, hogy mezonokból talán eddig még a kvarkok nem szabadultak fel, mert a nehezebb kvarkok (például a báj kvark) felszabadítására még magasabb energia kellene.

A kísérlet helyzete

A QGP könnyebben kiszámítható aspektusainak általában nehéz a kísérleti bizonyítása. Bár az eddigi bizonyítékok többsége arra mutat, hogy az RHIC során megfigyelt tűzgolyó tulajdonságai kvark-gluon plazma eredetűek, ez továbbra sem elegendő ahhoz, hogy a kísérletezők kijelenthessék, a QGP jelenséget észlelték.

A LCH-ben végre biztosan elkészülhet a kvarkleves

Eddig tehát sem a CERN-ben, sem Brookhavenben nem sikerült a keresett kvark-gluon-plazmát egyértelműen megfigyelni. 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.

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 ALICE kísérletben 28 ország 94 intézményének ezernél is több kutatója dolgozik együtt. Az ALICE detektor 26 méter hosszú, 16 m magas és 16 m széles, súlya tízezer tonna.

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 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. A kutatásban jelentős számban vesznek részt magyar fizikusok, kísérletiek és elméletiek egyaránt.

Háttérismeret és irodalom:

Abszorpció, Alagúthatás, Alfasugárzás, Antianyag hiány, Asztrofizika, Atomtáblázat, Atomtömeg,