A kvark-gluon plazma keresésének története III.

December 3, 2010

Jönnek az LHC-kísérletek

2009 végéig sem a CERN-ben, sem Brookhavenben nem jelentették ki egyértelműen, hogy sikerült előállítani a keresett kvark-gluon plazmát (lásd erről korábbi bejegyzéseinket itt és itt). Az LHC négy nagy kísérletének egyike, az ALICE remélhetően tisztázza a nyitott kérdéseket. Az ólom-ólom ütközésben az Ősrobbanás óta először koncentrálódik közel 1,2 petalelektronvolt energia kísérleti körülmények között.

Ennél a kísérletnél is hatalmas mennyiségben keletkezik a 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 ütközésekből először a nagyon nagy részecskezáport keltő eseményeket válogatják le (triggerelés), mert ezek utalnak az úgynevezett centrális ütközésekre, amikor két atommag valóban telibe találja egymást, a legnagyobb energiájú állapotokat létrehozva. A másodpercenként bekövetkező körülbelül 8000 ütközésnek mintegy 10%-a lehet centrális ütközés. Az innen kirepülő részecskék vizsgálata alapján fedezhetik fel egyértelműen az ütközéskor nagyon rövid időre létrejövő szabad kvarkok és gluonok nyomait.

Nagy impulzusú részecskék vizsgálata magyar részvétellel

A másodpercenkénti 800 centrális ütközés során várhatóan egyszer keletkeznek úgynevezett nagy impulzusú részecskék. Ezek megfigyelése árulhatja el a legtöbb információt az ütközések során várhatóan létrejövő, de nagyon rövid életideje miatt közvetlenül nem megfigyelhető kvark-gluon plazmáról.

2002-ben, az amerikai kísérletek során vált egyértelművé, hogy a nagy impulzusú részecskék vizsgálata alapvető fontosságú. Az eddigi amerikai kísérleteknél körülbelül 5 és 20 GeV között sikerült megfigyelni őket, és a kutatók azt remélik, hogy az LHC-ben akár 50-60 GeV-ig is sikerülhet ugyanez.

Ezért tervezik megépíteni a nagyon nagy impulzusú részecskéket azonosító VHMPID nevű aldetektort, amely utólag, várhatóan 2012-ben kerül majd beépítésre az ALICE-ba. A detektor triggerelő, azaz a nagyon nagy impulzusú részecskéket kiválogató részének fejlesztésében vesz részt a Lévai Péter vezette magyar ALICE-csoport egyik fele.

A csoport másik fele más módon keresi a kvark-gluon plazmában létrejövő nagyenergiájú kvarkok és gluonok nyomait: a centrális ütközések során létrejövő hatalmas részecskezáporból a már meglévő detektorok adatai alapján próbálják kiszűrni azokat a részecskéket, amelyek nagyenergiájú kvarkok és gluonok keletkezésére utalnak.

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 immár 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 bejegyzés az OTKA támogatásával készült.

Advertisements