 Új bizonyítékok kisméretű, rövid élettartamú Kvark-Gluon Plazma cseppek létrejöttére?
Tudósok részecskék korrelált áramlását tárták fel a legalacsonyabb energiájú, kisméretű ütközésekben is a Nagy-Bumm részecske ütköztetőnél
2017. szeptember 18.
Upton, New York állam, USA – A Relativisztikus Nehézion Ütköztetőnél (RHIC, amely az Amerikai Energiaügyi Minisztérium Brookhaveni Nemzeti Laboratóriumának magfizikai kutatási nagyberendezése) a kis deuteronok nehéz atommagokkal való ütközései során sokféle (ismert típusú) részecskék 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 ezen eredmények arra utalnak, hogy ezekben a kisméretű ütközésekben olyan apró rövid élettartamú kvarkanyag-cseppek keletkeznek, amelyek a korai univerzumban, közel 14 milliárd évvel ezelőtt megtalálható anyagra hasonlítanak.
A tudósok jelentős részben azért is építették a RHIC komplexumot, hogy létrehozhassák a kvark-gluon plazmát (QGP), tanulmányozhassák annak tulajdonságait, illetve többet megtudhassanak arról, hogy a természetben megtalálható legerősebb kölcsönhatás miként tartja össze a kvarkokat és gluonokat, hogy azok protonokat, neutronokat, majd atomokat alkossanak, amelyek a látható univerzumunkat felépítik. Eredetileg azonban csak nehézionok (például arany atommagok) nagyenergiás ütközéseiben várták a QGP kísérleti jeleit. Az új eredmények közé tartozik az a megfigyelés, hogy az alacsony energiás ütközések során keletkező részecskék korrelációi konzisztensek a nagyenergiás ütközések során mért korrelációkkal. Ez a RHIC és az európai Nagy Hadronütköztető (LHC) azon megfigyeléseinek a sorába illik, amelyek a kvark-gluon plazma kisebb méretű ütközésekben való megjelenésére utalnak.
A PHENIX kísérleti együttműködés két különböző cikkben közölte az eredményeit, amelyeket beküldtek a Physical Review Letters (PRL) illetve Physical Review C (PRC) folyóiratokhoz, valamint eredményeik bemutatásra kerülnek egy Lengyelországban, Krakkóban megrendezett konferencián ezen a héten.
„Ezek az első cikkek, amik megjelennek a 2016-os deuteron-arany ütközések adatainak elemzéséből, a közölt eredmények pedig arra mutatnak, hogy valószínűleg kisméretű ütközésekben is létrejön a QGP. Nagyobb méretű ütközések esetén azonban más jelei is voltak a QGP megjelenésének, és ezeket az új adatokon is meg kell vizsgálnunk. A későbbiekben különböző módszerek segítségével fogjuk keresni a QGP létrejöttének további bizonyítékait.” – mondta Julia Velkovska, a PHENIX kísérlet helyettes-szóvivője.
Kollektív áramlás
A RHIC-nél végzett arany-arany ütközésekben a QGP keletkezésének első jelei közé tartozott a részecskék „kollektív áramlásának” megfigyelése. Több részecske keletkezett a részben átfedő atommagok „egyenlítőjének” irányában, mint az ütközési irányra merőlegesen. Ezt az elliptikus áramlási mintázatot a tudósok szerint a részecskék és a közel tökéletes folyadékként viselkedő QGP kölcsönhatása okozza. Azóta kisebb részecskék nehézionokkal való ütközéseiben is hasonló, bár kisebb mértékű áramlási effektust figyeltek meg, mind a RHIC-nél, mind az LHC-nél. Arra is találtak bizonyítékot, hogy ez az áramlási effektus erős kapcsolatban áll a nagy atommaggal ütköző kisebb részecske geometriai alakjával.
„Ezeket az eredményeket látva egyre kisebb méretű ütközéseket akartunk vizsgálni, különféle ütközési energiákon. Ha lecsökkentjük az ütközési energiát, lecsökkenhet az az idő, amit a rendszer a folyadék fázisban tölt. Bizonyos ütközési energia alatt lehet, hogy létre sem jön a folyadék fázis.” – mondta Velkovska.
Más szavakkal élve, azt akarták látni, hogy „ki tudják-e kapcsolni” a QGP keletkezést.
 „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 folyadék viselkedés 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 Velkovska.
Az energia csökkentése
2016-ban a PHENIX együttműködés egy körülbelül 5 hetes időtartam során arany atommagok és az egy-egy protont és neutront tartalmazó deuteronok ütközéseit vizsgálta, négy különböző ütközési energián (200, 62.4, 39, és 19.6 milliárd elektronvolt, azaz GeV).
„A RHIC sokoldalúságának és a Brookhaveni Ütköztető-Gyorsító Részleg munkatársainak köszönhetően – akik gyorsan tudták átváltani és beállítani a rendszert különböző ütközési energiákra – a PHENIX kísérlet több mint 1.5 milliárd ütközést volt képes rögzíteni ez alatt a rövid idő alatt.” – mondta Velkovska.
A PRC folyóirathoz beküldött cikkben részletezett analízist Darren McGlinchey vezette, aki a PHENIX együttműködés Los Alamosi Nemzeti Laboratóriumban dolgozó tagja. A mérés során a keletkező részecskék számát vizsgálták, és azt, hogy a részecskéknek az elliptikus áramlás síkjában történő keletkezése hogyan függ az impulzustól és az ütközések centralitásától (azaz hogy mennyire középen találták el egymást az ütköző atommagok).
„A deuteron-arany ütközésekben erősen elliptikus alak jön létre, és ez a kezdeti geometria a keletkezett részecskék eloszlásában is megfigyelhető, még alacsony energiákon is. Ezen geometria »öröklődésének« az ütközés során keletkező QGP-vel való kölcsönhatás lehet az oka. Az eredmény nem elegendő bizonyíték ahhoz, hogy kijelenthessük, hogy a QGP létrejön ezekben az ütközésekben, azonban a szükséges bizonyítékok egy részét jelentheti.” – mondta McGlinchey.
A PHENIX együttműködés Coloradoi Egyetemen dolgozó tagja, Ron Belmont által vezetett analízis során az áramlási jelenség által okozott sokrészecske korrelációkat vizsgálták (kettő és négy részecske esetén minden ütközési energián, illetve a legmagasabb energián hat részecske esetén is). Az analízis eredményeit a PHENIX együttműködés a PRL folyóiratba küldte be.
„Nagyon hasonló eredményeket kaptunk, mind két- mind négyrészecske korreláció esetén, minden ütközési energián, illetve a legmagasabb energián hatrészecske korreláció esetén is. Az eredmények konzisztensek azzal a megfigyeléssel, hogy a áramlási jelenség még a legalacsonyabb energia esetén is jelen van, így a két cikk jól kiegészíti egymást, konzisztens képet alkothatunk általuk.” – mondta Belmont.
A kapott eredményekre más lehetséges magyarázat is van, többek között az anyag egy elméletileg jósolt más formájának, a gluonok dominálta szín-üveg kondenzátumnak megjelenése.
„Ahhoz, hogy megkülönböztessük a szín-üveg kondenzátum megjelenését a QGP jeleitől, részletesebb elméleti eredményekre van szükség.” – mondta Belmont.
Velkovska azt is megjegyezte, hogy az utóbbi időben sok új diák kezdett dolgozni a PHENIX kísérlet által felvett adatok elemzésén. A PHENIX kísérlet a 2016-os futási periódus után abbahagyta az adatfelvételt, hogy egy új detektornak, az sPHENIX-nek helyet adjon. A jövőben azonban sok új eredményre lehet számítani a PHENIX kísérlettől, hiszen rengeteg korábban felvett adat részletes elemzése van jelenleg is folyamatban.
Az eredeti cikk mellett elérhetőek az angol nyelvű tudományos összefoglalók:
"Measurements of multiparticle correlations in d+Au collisions at 200, 62.4, 39, and 19.6 GeV and p+Au collisions at 200 GeV and implications for collective behavior"
"Measurements of azimuthal anisotropy and charged-particle multiplicity in d+Au collisions at √sNN=200, 62.4, 39, and 19.6 GeV"
A RHIC kutatásait az USA DOE Office of Science támogatja, illetve az itt felsorolt intézmények, 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. A fent részletezett analízisben a magyar csoport részéről Csörgő Tamás (az Európai Tudományos Akadémia tagja, a Wigner Fizikai Kutatóközpont tudományos tanácsadója és az Eszterházy Károly Egyetem kutatóprofesszora), a PHENIX-Magyarország korábbi vezetője a munka belső bírálati bizottságának (IRC) elnökeként vett részt.
A PHENIX kísérletben résztvevő magyar intézmények közül az Eötvös Loránd Egyetem, az Eszterházy Károly Egyetem és az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont a Csanád Máté (ELTE Atomfizikai Tanszék) által vezetett PHENIX-Magyarország csoportban, egymással is együttműködve vesz részt, a PHENIX kísérletben önállóan résztvevő, negyedik magyar intézmény pedig a Debreceni Egyetem. A PHENIX Magyarország együttműködés honlapja a phenix.elte.hu címen érhető el.
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). Forrás: Paul Romatschke, Matt Luzum, Jamie Nagle, Mike McCumber. Az eredeti ábra elérhető itt.
A fent tárgyalt kísérleti eredmények fontos előzményei voltak a 2013-as Zimányi Nehézionfizikai Téli Iskola fókuszában is. Itt előadást tartott Barbara Jacak professzor asszony, a New York Állami Egyetem Stony Brook Fizikai Tanszékének kiemelt professzora. Jacak professzor asszony a abban az időszakban volt a PHENIX kísérlet tudományos vezetője volt, amikor a PHENIX igazolta, hogy 200 GeV-es arany-arany ütközéseiben keletkező kvarkleves kezdeti hőmérséklete legalább 4 terakelvin. Ez a hőmérséklet lényegesen magasabb, mint az erősen kölcsönható részecskék, a hadronok létezésének lehetséges legmagasabb hőmérséklete, a közel 2 terakelvinnek megfelelő Hagedorn hőmérséklet. Jacak professzor asszony az ELTE Fizikai Intézet Ortvay Kollokviumának és a 2013-as Zimányi Nehézionfizikai Téli Iskola közös programjának keretében a PHENIX kísérlet legújabb eredményeit ismertette, mely szerint a tökéletes kvarkfolyadék kis cseppjei nem csak a nagy arany atommagok, hanem már kicsi deuteron és a nagy arany atommag 200 GeV-es ütközéseiben is megjelennek. Erről a fontos tudományos eredményről az USA Brookhaveni Nemzeti Laboratóriuma sajtótájékoztatót tartott 2013 december 6-án, a Zimányi Nehézionfizikai Téli Iskola ideje alatt, fényképekkel és számítógépes animációkkal is illusztrálva a jelenség fontosságát. 
|
