A szimmetriasértés buborékai a RHIC kvarklevesében

A brookhaveni Relativisztikus Nehézion Ütköztető (RHIC) tudósai a kvarkplazma eddig ismeretlen állapotát figyelték meg. Az extrém magas hőmérsékleten megjelenő anyag belsejében olyan kis tartományok – „buborékok” – jönnek létre, amelyekben megsérülnek bizonyos alapvető természeti szimmetriák. Az ilyen buborékoknak fontos szerepet kellett játszaniuk az Univerzum igen korai korszakában, és az eredmények közelebb vihetnek bennünket olyan, a természetben létező aszimmetriák eredetének megértéséhez, mint például az anyag túlsúlya az antianyaghoz képest.

„A STAR kísérlet mérései arra utalnak, hogy a RHIC nehézion-ütközései során keletkező tökéletes folyadékban az alapvető természeti szimmetriákat, azaz a töltés- és tértükrözési szimmetriákat sértő buborékok keletkeznek. Vagyis ha felcserélik a bal és a jobb oldalt, valamint a pozitív és a negatív töltéseket, akkor a mért és a felcserélés után kapott állapot között eltérést, aszimmetriát tapasztalunk. Ez bizonyos mértékben hasonlít a világban megfigyelt olyan alapvető aszimmetriákra, mely szerint a természet törvényei az anyag-antianyag felcserélésre szimmetrikusak, a Világegyetemben mégis csak az anyag van meghatározó mennyiségben jelen, tehát ez a szimmetria sérül” – mondta Csörgő Tamás professzor, az MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutató Intézet tudományos tanácsadója, a RHIC PHENIX kísérletében dolgozó magyar csoport vezetője (aki egyben a Harvard University vendégkutatójaként a nagyenergiás fizika elméleti és kísérleti szakértője).

A RHIC-ben a nehéz atommagok közel fénysebességgel ütköznek, így egy atommag méretű térrészben rövid időre a korai Univerzumra jellemző feltételek alakulnak ki: a legenergikusabb ütközések során kialakuló hőmérséklet több mint 2 billió (10^12) Celsius-fokos, a Nap központjában levő érték 250 ezerszerese. Ilyen körülmények mellett a nukleonok közötti határok eltűnnek, kvarkplazma alakul ki, melynek belsejében a kvarkok és az antikvarkok, valamint a kölcsönhatásukat közvetítő gluonok nincsenek helyhez kötve. A kvarkok közötti kölcsönhatás, az erős kölcsönhatás tükörszimmetrikus: egy adott reakció és annak térbeli tükrözöttje azonos valószínűségű.

Szimmetriasértő buborékok megjelenése

A fenti szinte elképzelhetetlenül magas hőmérsékleteken kialakuló kvarkplazma belsejében azonban olyan kis tartományokat – „buborékokat” – figyeltek meg, melyek belsejében egy új, ismeretlen halmazállapotban van az anyag, amelynek feltűnő sajátossága az erős kölcsönhatásra egyébként jellemző tértükrözési szimmetria lokális sérülése. E szimmetriasértés észlelését az ütközéskor kialakuló „erős mágneses térnek” (a hagyományos mágneses tér erős kölcsönhatásbeli megfelelőjének) jelenléte teszi lehetővé.

A fizika sokféle szimmetriát ismer. A mostani kísérletek során létrejött kvarkbuborékokban sérült tértükrözési szimmetria másik neve a paritás. Ha a paritás megmarad, akkor az események, részecske-keltési folyamatok “tükörből nézett” változatai is pontosan olyan gyakorisággal játszódnak le, mint az eredetiek. Nagyszámú folyamat esetén ez azt jelenti például, hogy mágneses tér jelenléte esetén a keletkező részecskék közül átlagosan ugyanannyi távozik a mágneses tér irányába, mint a vele ellentétes irányba. A mágneses tér olyan mennyiség, mint pl. a forgás iránya: ha a forgástengellyel (illetve a mágneses tér irányával) párhuzamos síkra tükrözzük a rendszert, előjelet vált. A kirepülő részecskék által előnyben részesített irány azonban nem fordul meg ilyen tükrözéskor. Ha tehát azt látjuk, hogy a kirepülési irány a mágneses tér irányától függ, akkor ez egy „nem tükörszimmetrikus” helyzet: a jelenség tértükrözöttje nem valósul meg, sérül a paritás. Szimmetriasértő folyamatok eddig is ismertek voltak a (radioaktív bomlások jelentős részéért felelős) gyenge kölcsönhatásban, a gluonok által közvetített erős kölcsönhatást azonban mostanáig teljesen ép szimmetriájúnak tartották.

Hogyan jelentkezett a paritás sérülése a jelenlegi esetben? A RHIC gyorsító STAR (Solenoidal TrAckeR) detektorával megfigyelték, hogy a pozitív töltésű kvarkok inkább a „mágneses” térrel párhuzamosan beállva jelennek meg egy adott ütközési eseménynél, míg a negatív töltésű kvarkok az ellenkező irányt részesítik előnyben. “A kvarkok és gluonok közötti erős kölcsönhatás által kormányzott rendszerek valamennyi korábbi vizsgálatban nagyon nagy pontossággal tükörszimetrikusnak mutatkoztak, azaz az egyes események és tükrözöttjeik pontosan azonos gyakorisággal fordultak elő, irányfüggőség nélkül” – mondta Steven Vigdor, a Brookhaven’s Associate Laboratory mag- és részecskefizikai igazgatója, aki a RHIC-nél végzett kutatásokat felügyeli. “Így a szimmetriasértés megfigyelése a STAR-nál valóban érdekes.”

A RHIC-nél a paritássértő buborékok véletlenszerűen alakulnak ki. A paritássértés lokálisan, az adott buborékra korlátozva jelentkezik, ezért több buborék esetében az eseményeket átlagolva elmosódik a paritássértés hatása, pedig az lokálisan mindegyik eseménynél megjelenik. Ilyen lokális erős paritássértést eddig még soha nem észleltek közvetlenül. Nu Xu, a STAR kísérleti együttműködés tudományos vezetője elmondta, hogy a szimmetriasértés leginkább az atommagok közötti félig frontális ütközések során volt megfigyelhető. Frontális ütközésnél egyáltalán nem lehetett észlelni a szimmetriasértést, aminek valószínűleg a különböző irányú szimmetriasértések kiátlagolódása az oka.

A STAR adatok egy másfajta lokális szimmetriasértést is sejtetnek, a töltés-paritás, vagy CP (charge-parity) invariancia lokális sérülését. A CP-szimmetriából az következik, hogy amikor Einstein nevezetes E=mc^2 egyenletének megfelelően az energia tömeggé (azaz részecskékké) alakul vagy viszont, akkor azonos számú részecske és ellentétes töltésű antirészecske képződik vagy annihilálódik.

A szimmetriasértés jelentősége

A most megfigyelt szimmetriasértő buborékoknak fontos szerepet kellett játszaniuk az Univerzum igen korai korszakában. A kutatók szerint még nagyobb hőmérsékleten az egész kvarkanyagra ez az új halmazállapot jellemző. Ha Univerzumunk evolúciójának legelején a CP szimmetria nem sérült volna, akkor az Ősrobbanáskor az egyenlő számban keletkezett részecskék és antirészecskék páronként szétsugárzódtak volna, és nem maradt volna anyag a csillagok, a bolygók és az emberek számára. Az már eddig is ismert volt, hogy a gyenge kölcsönhatásokban CP-szimmetriasértések fordulnak elő, de ezek a jelenségek túl gyengék az Univerzum mára megmaradt anyagmennyiségének megmagyarázásához. Ehhez hasonlóan a STAR-ban megfigyelt lokális CP-sértések sem tudják megmagyarázni az anyag globális túlsúlyát a mai világban az antianyaggal szemben, de bepillantást nyújthatnak abba, hogy mi a mechanizmusa a szimmetriasértéseknek. A jelenség további kutatása az Univerzum korai korszakának megismerése szempontjából is fontos. Úgy tűnik, hogy a Világegyetem első néhány mikromásodpercében igen nagy szerepet kaptak az ilyen jellegű, szimmetriasértő kvark-gluon kölcsönhatások.

Összegezve: a brookhaveni RHIC gyorsítónál elvégzett nehézion kísérletekben kapott adatok analíziséből a STAR együttműködés kutatói arra a következtetésre jutottak, hogy a pozitívan és a negatívan töltött részecskék aszimmetrikusan hagyják el az ütközési tartományt, mintegy megsértve ezzel az elvárt töltés-szimmetriát. Az effektus annál nagyobb, minél kevésbé frontális az ütközés, és annál kisebb, minél inkább frontálisabban ütközött a két nehézion. Jelenleg sok tényező amellett szól, hogy ezt az effektust az erős kölcsönhatásra eddig érvényesnek vélt tükrözési szimmetria helyi megsérülése okozza, amely a „erős mágneses tér” megjelenésére utal a tökéletes folyadékként viselkedő kvark-gluon plazma buborékaiban. Az arany-arany és réz-réz atommagok ütközésében 200 AGeV tömegközépponti energián megfigyelt jelenség részletes vizsgálata jelenleg is folyik a RHIC gyorsítónál.

Az LHC-ben is megfigyelhetik majd a jelenséget

Lévai Péter, az LHC gyorsítónál működő ALICE kísérlet magyar csoportjának vezetője elmondta: várhatóan az idén 50%-os teljesítményt elérni kívánó LHC gyorsító mellett is fogunk találkozni ezzel az aszimmetriával, méghozzá a  2010 novemberére tervezett, 2750 AGeV tömegközépponti energiájú ólom-ólom ütközésekben. Az ALICE kísérlet készen áll ezen analízisek elvégzésére. Érdekes kérdés, hogy ha az LHC-nál az év nagy részében tervezett proton-proton ütközésekben a keletkezett részecskék száma eléri majd a RHIC energián elvégzett félig-centrális réz-réz ütközésekben mért részecskeszámot, akkor ezen ütközésekben is megjelenik-e majd a tértükrözés sérülése, egyúttal következtethetünk-e ezekben az ütközésekben a kvark-gluon plazma kialakulására.

Szimmetriák és szimmetriasértések

A részecskefizikai kölcsönhatások szimmetriái a megmaradási törvényekben és a részecskék szerkezetében jelentkeznek. A három alapvető tükrözési szimmetria a töltés, a tér és az idő tükrözésével kapcsolatos. A tértükrözés – jele a paritás szóból P – a térkoordináták előjelét fordítja ellenkezőjére, azaz jobbkezes koordinátarendszerről balkezesre vált. Az időtükrözés – ennek jele T – az időkoordinátát fordítja ellenkezőjére. A C, a töltéstükrözés a részecskéket (ellentétes töltésű) antirészecskéjükre cseréli.

Az első szimmetriasértést mágneses térbe helyezett radioaktív 60Co izotóp béta-bomlásának vizsgálatakor fedezték fel. Nagy meglepetésre a keletkező elektronok nem minden irányban egyforma valószínűséggel, hanem túlnyomórészt a mágneses térrel ellenkező irányban léptek ki, ami azt jelentette, hogy sérül a tükörszimmetria. Később kiderült, hogy ebben a folyamatban a C-szimmetria is sérül, azonban a CP -invariancia (amikor egyszerre cseréljük ki a részecskéket antirészecskékkel és tükrözzük a rendszert) fennmarad. Az ún. K-mezonok bomlásakor viszont a CP-szimmetria is sérül. Ugyanakkor a kombinált CPT-invarianciát (tehát amikor az időtükrözést is végrehajtjuk) minden eddigi kísérleti vizsgálat alátámasztja.

A lenti képen: példa szimmetriasértésre. A kék gömb nagy számú azonos spinű radioaktív kobalt-atommagot tartalmaz. Az atommagok tükörképe ellentétes spinű, a béta sugárzás eloszlása viszont változatlan: ez a tükörkép-folyamat a valóságban nem játszódik le (forrás: APS)

A támogató szervezetek teljes listája itt olvasható
http://www.bnl.gov/rhic/funding.asp

Az eredeti sajtóanyag
http://www.bnl.gov/today/story.asp?ITEM_NO=1595

A tökéletes kvarkfolyadék színképe (Youtube videó, angol nyelven)
http://www.youtube.com/watch?v=kXy5EvYu3fw&feature=player_embedded

A RHIC tökéletes folyadéka (Youtube videó, angol nyelven)
http://www.youtube.com/watch?v=xrL2ELkQOiE&feature=related

Aranykorát éli a nehézionfizika (MTA hír)
http://www.mta.hu/index.php?id=634&tt_news=7578

A jelenleg ismert legforróbb anyag folyadék halmazállapotú (MTA honlap)
http://www.mta.hu/index.php?id=634&no_cache=1&backPid=645&swords=phenix&tt_news=2072&cHash=b08ff7979f

A STAR cikk
http://arxiv.org/abs/0910.0464

A PHENIX cikk
http://arxiv.org/abs/0804.4168

A PHENIX cikk részletesebb változata
http://arxiv.org/abs/0912.0244
(A lényeg a 48. ábra, legalább 300 MeV ~ 4 Terakelvin a kezdeti hőmérséklet).

A magyar PHENIX csoport honlapjai
http://phenix.elte.hu/ és
http://phenix.kfki.hu/

Az ALICE kísérlet magyar csoportjának honlapja:
http://www.kfki.hu/~alice/hpublic.html

(Az összeállítás Csörgő Tamás, Nagy Márton, Lévai Péter és Posztobányi Kálmán segítségével készült.)

Advertisements

One Response to A szimmetriasértés buborékai a RHIC kvarklevesében

  1. […] A szimmetriasértés buborékai a RHIC kvarklevesében […]

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: