Legalább négybillió Celsius-fokos volt az Univerzum ősanyaga

Az amerikai Relativisztikus Nehézion Ütköztető (RHIC) részecskefizikusai 4 billió Celsius-fokos hőmérsékletet hoztak létre a PHENIX-kísérletben, közel fénysebességgel haladó arany-atommagokat ütköztetve egymással. Ezzel az abszolút skálán 4 terakelvines hőmérsékleti világrekordot sikerült mérni, amely mintegy 700 milliószor magasabb a Nap felszínének 5800 kelvines hőmérsékleténél. Ezen a hőmérsékleten az anyag halmazállapota olyan tökéletes folyadék, amely minden egyes nehézion-ütközésben létrejön, majd hirtelen kitágulva lehűl, és részecskék ezreit sugározza szét.
 
Egy ilyen roppant magas hőmérséklet már minden számítás szerint elég az atommagokat alkotó protonok és neutronok “megolvasztásához”, azaz a kvarkokból és gluonokból álló újfajta plazma létrejöttéhez. Az új eredményt a RHIC gyorsítónál méréseket végző mind a négy kísérlet (BRAHMS, a STAR, a PHENIX és a PHOBOS) korábbi eredményeivel és a RHIC működésének első 9 évében mért adatok elemzésével kiegészítve egy különleges halmazállapot tulajdonságai tárulnak fel: ez a halmazállapot folyadék, amely lényegében belső súrlódás (viszkozitás) nélkül, tökéletesen áramlik, és egymáshoz erősen csatolódó kvarkokból és gluonokból áll.

Csörgő Tamás, a PHENIX kísérlet magyar csoportjának tudományos vezetője elmondta: „Már a korábbi kísérletek alapján tudtuk, hogy a RHIC arany-arany ütközéseiben új anyagforma jött létre, amely a várakozásoktól eltérően nem szabad kvarkok és gluonok gázaként viselkedik, hanem folyadék halmazállapotú. Bizonyítottuk már azt is, hogy ez a közeg kvarkok folyadéka, hiszen a kirepülő  részecskék folyását a részecskéket alkotó kvarkok számával elosztva a folyási kép által megjósolt adategybeejtő viselkedést tapasztaltunk. Azt találtuk, hogy ebben a tökéletesen folyó ’őslevesben’ a kvarkok erősen csatolódnak egymáshoz”.

Egy közismert hasonlat szerint ez a folyadék kicsit olyan jellegű, mint amikor csúcsforgalomban autóval próbál meg közlekedni valaki: a teljesen beállt forgalmi dugó a szilárd halmazállapotnak  felelne meg. A folyékony halmazállapotot a lassan araszolgató forgalomhoz lehet bizonyos mértékig hasonlítani, mert ekkor a szabadon megtehető távolság csupán 1-1 autó hosszának néhányszorosa; míg a gáz halmazállapotnak az éjfél és kora hajnal között tapasztalható forgalmi helyzet hasonlítható, amikor a közlekedő autók közötti távolság általában sokkal nagyobb, mint az autók saját mérete.

A RHIC gyorsítónál méréseket végző mind a négy kísérlet (a BRAHMS, a STAR, a PHENIX és a PHOBOS) egybecsengően állapította meg, hogy az arany-arany nehézion-ütközésekben létrejövő közeg a folyadékokhoz hasonlít, egyértelműen áramlik, de ha egy-egy kvark át szeretne rajta száguldani, ez csupán 5 kvark közül átlagosan egynek sikerül, a többi ütközik, “karambolozik”.  Ráadásul azt is biztosan tudjuk, hogy a RHIC-nél felfedezett kvarkfolyadék  az eddig kísérletileg előállított legtökéletesebb folyadék: sokkal tökéletesebben folyik, mint a víz, sőt, még annál is legalább ötször kevesebb a fajlagos belső súrlódása, mint az ultrahideg héliumnak a szuperfolyékonyság megjelenésekor.  Korábbi várakozások alapján ezt az igen különleges anyagfajtát, a tökéletes kvark-folyadékot kvark-gluon plazmának is nevezik, ám a hangsúlyt nem az anyag elnevezésére, hanem tulajdonságainak a pontos meghatározására helyezték a RHIC kutatói – mondta Csörgő Tamás, aki az MTA KFKI RMKI-ban tudományos tanácsadóként, az amerikai Harvard Egyetemen pedig vendégkutatóként tevékenykedik.

A fenti ismeretek birtokában a RHIC fizikusai tervet dolgoztak ki a tökéletes folyadék természetének és összetevőinek vizsgálatára, valamint az összeütközés kezdeti fázisában fellépő hőmérsékletnek a megállapítására. A modellek szerint ez a hőmérséklet elég magas lehet ahhoz, hogy megolvassza a protonokat, de a közvetlenebb méréshez zavartalanul távozó fotonok kellettek. Mivel nemcsak termikus fotonok távoznak a kvarkplazmából, a mérést az egyéb eredetű fotonok jelenléte befolyásolta. A zavaró jelenségek kiküszöbölése után 2008-ra sikerült megállapítani, hogy az ütközés korai fázisában a “tökéletes” folyadék hőmérséklete körülbelül négybillió Celsius-fokot ért el.

Steven Vigdor, a Brookhaveni Nemzeti Kutatóintézet részecske- és magfizikai programokért felelős igazgatóhelyettese szerint ezek az adatok a RHIC-nél létrehozott kvark-gluon plazma hőmérsékletének a legelső alkalommal történt kísérleti meghatározását jelentik. Az új PHENIX méréseknek olyan magas hőmérsékleti értékek felelnek meg, amelyek lényegesen meghaladják azt a jóval korábban és pontosan meghatározott maximális hőmérsékletet, amelyen még a kvarkok a hadronok börtönébe záródnak, tehát amekkora maximális hőmérsékletig a szabad kvarkok és gluonok nem jelenhetnek meg – mondta.

„A PHENIX mérésének lényege, hogy sikerült a RHIC-nél 2005-ben talált tökéletes kvarkfolyadék ’színképét’ meghatározni, tehát megmértük a kvarkanyag által közvetlenül kibocsátott fénysugárzást, és ezáltal bepillantást nyertünk a kvarkfolyadék igen korai állapotába. A korábban mért 2 terakelvines hőmérsékleti korlátot a korai szakaszban megduplázva ma már tudjuk, hogy legalább 4 terakelvin hőmérsékletű volt kezdetben ez a tökéletes kvarkfolyadék. Ez az első mérés, amely jelentősen a kritikus fázisátmeneti hőmérséklet – körülbelül 2 terakelvin, 170 MeV – feletti értéket közöl szakfolyóiratban a kísérleti fizika területén” – mondta Csörgő Tamás.

A fizikusok a forró anyagok által kisugárzott fény színéből vagy energiaeloszlásából tudják megállapítani annak hőmérsékletét – hasonlóan ahhoz, ahogy izzása alapján megbecsüljük egy vasrúd forróságát. Mivel a fény nagyon gyengén hat kölcsön a RHIC-ben létrejött forró folyadékkal, a színkép meghatározásával megbízható információ szerezhető az őt kisugárzó anyag hőmérsékletéről. A QGP hőmérsékleti sugárzásának “fénye” elsősorban kemény gammafotonokból áll.

A RHIC-kel történt felfedezések nyomán új kérdések merültek fel a kvarkok kölcsönhatásait leíró fizikai elméletben. Ezeknek a megválaszolása és a kvarkplazma részletesebb vizsgálata céljából megkezdődött a RHIC továbbfejlesztése, a RHIC-II program. A következő években a mostani, maximális energiánál kisebb energiákon is elvégzik nehézion kísérleteket, széles energiatartományt átvizsgálva. Megnövelik a RHIC gyorsítóban az időegységre eső ütközések számát, és a hőmérséklet-sűrűség diagrammon (lásd a mellékelt ábrát) a lehető legszélesebb tartományt térképezik fel. A jelenlegi ismereteink szerint ugyanis jóval az új fázis megjelenéséhez szükséges hőmérsékletek felett járunk, és igen fontos az a kérdés, hogy melyik az a kritikus energia és nehézion-méret, ahol ez a tökéletesen folyékony kvarkanyag először jelenik meg. Ennek meghatározásában a RHIC gyorsító a változtatható energiatartományok és a gyorsítható nehézionok sokféle mérete (p, d, Cu, Au) miatt kiválóan alkalmas. A hőmérséklet és sűrűség meghatározása mellett a folyadék jelenlegi szinte mérhetetlenül kicsi belső súrlódásának minél pontosabb meghatározására is sort kerítenek a fázisdiagram minél több pontjában. Ez lényegében megadja a RHIC-II és az LHC viszonyrendszerét is a közeljövőben: várhatóan az LHC lesz majd a vezető a magas hőmérsékletek területén, ha sikeresen beindul 2010 végén a nehézion programja, míg a RHIC marad a vezető gyorsító a fázisdiagram feltérképezésében, a kritikus pont után indított kutatások területén.

A RHIC jelenlegi 10. adatfelvételi periódusában már meg is kezdte az adatgyűjtést csökkentett energiákon. Ennek az új RHIC-II korszaknak a fő célja az erős kölcsönhatás fázisdiagramjának a pontos feltérképezése, a tökéletes folyadékkép érvényességi körének a meghatározása, valamint a QCD egyik régóta keresett jelzőpontjának, az úgynevezett kritikus pontnak a kísérleti felfedezése és jellemzése.

A PHENIX és a STAR kísérlet szóban forgó tudományos közleményeit a Physical Review Letters, az Amerikai Fizikai Társulat vezető folyóirata szakmailag elbírálta, és mindkét eredményt közlésre elfogadta. A PHENIX közlemény szakmai bírálata két évig tartó folyamat volt, míg a STAR eredményét alig néhány hónap alatt elfogadták.

A tökéletes folyadék kezdeti hőmérsékletét meghatározó PHENIX kutatásokat a Magyar Tudományos Akadémia, az OTKA és a Magyar Tudományos Akadémia OTKA – USA NSF csereprogramja  is támogatta. „Noha ezek az összegek igen kis töredékei a témára fordított nagy nemzetközi – elsősorban amerikai és japán – kutatási támogatásoknak, számunkra mégis igen sokat jelentenek. Minden támogatást hálásan köszönünk! Külön örömet jelent számunkra az is, hogy magyar támogatóink nevét az USA Brookhaveni Nemzeti Kutató Intézet megfelelő honlapjain is feltüntetik. A PHENIX egyik kiemelkedő fotonszakértője Dávid Gábor, aki a debreceni PHENIX csoport tudományos vezetője és a PHENIX foton-munkacsoport vezetője” – mondta Csörgő Tamás.

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

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 Legalább négybillió Celsius-fokos volt az Univerzum ősanyaga

  1. […] Legalább négybillió Celsius-fokos volt az Univerzum ősanyaga […]

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: