Hogyan úsznak a részecskék az ősanyagban?
Éppen úgy mint a ragadozó halak az óceánban.
Magyar kutatók nagy nemzetközi együttműködésbe csatlakozva igen érdekes jelenséget mutattak ki: a többek között vízi ragadozók mozgásában, tőzsdei folyamatokban és földrengések leírásában is megjelenő Lévy-repülés, avagy Lévy-folyamat jeleit ezúttal az ultrarelativisztikus atommagok ütközése nyomán létrejövő „őslevesben”, azaz a kvarkok tökéletes folyadékában figyelték meg. Részletes méréseik egybevágnak azokkal a korábbi, magyar kutatók által elért eredményekkel, mely szerint egyes speciális részecskék ebbe az őslevesbe, a kvarkfolyadékba mártva, szinte Arkhimédész törvényének eleget téve, tömegük jelentős részét elvesztik.
Photo Credit: The Ocean Agency
Az elmúlt évtized nagyenergiás részecskegyorsítóknál – a Relativisztikus Nehézion-ütköztetőnél (RHIC) és a Nagy Hadronütköztetőnél (LHC) – végzett kutatásai arra utalnak, hogy ultrarelativisztikus nehézion-ütközések során egy közel tökéletes folyadék halmazállapotú kvarkanyag, szakmai nevén az erősen kölcsönható kvark-gluon plazma alakul ki, amely utoljára a Világegyetem születése utáni első mikromásodpercben volt jelen. Az ütközési folyamat elején a hideg atommagok (nehézionok) ütköznek egymással, majd felforr az ősleves, amely a szempillantás töredéke alatt felrobban, lehűl, és újra kifagy. Az őslevesből a kifagyás során összetett részecskék, hadronok keletkeznek, és ezeket figyeltük meg az ütközés körül elhelyezett detektorokkal.
A kvarkanyag térbeli és időbeli szerkezetét kvantumelméleti, részecskekorrelációs technikákkal lehet feltérképezni. A módszer lényege, hogy a beérkező hadronok lendületének korrelációi kvantumstatisztikai okokból elárulják az őket létrehozó anyag szerkezetét. A jellegzetes femtométeres tartomány miatt ezt a területet femtoszkópiának is nevezik.
Az elmúlt évtizedekben a femtoszkópiának igen nagy hagyománya alakult ki Magyarországon, amit mit sem jelez jobban, mint az, hogy a terület „Workshop on Particle Correlations and Femtoscopy”című világkonferencia-sorozatának jubileumi, 10. konferenciáját éppen Magyarországon, Gyöngyösön, az Eszterházy Károly Egyetem jogelődjén a Károly Róbert Főiskolán rendeztük meg, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont és az Eötvös Loránd Tudományegyetem kutatóinak együttműködésével és közreműködésével. Ezen intézményekben Csörgő Tamás, Novák Tamás és Csanád Máté vezetésével végeznek femtoszkópiai kutatásokat, elméleti és kísérleti módszerekkel.
A magyar kutatók immár másfél évtizede vesznek részt a RHIC PHENIX együttműködésében, így többek között az erősen kölcsönható anyag felfedezésének is részesei voltak, illetve legutóbb a kvarkanyag-cseppekre utaló megfigyelésekben is szerepük volt. Femtoszkópiai kutatásaik tárgya a mag-mag ütközésekben keletkező kvarkanyag téridőbeli struktúrájának feltárása volt.
Ehhez az egész más területekről ismert Lévy-folyamatot vették alapul, ugyanis a kvarkokból keletkező hadronok a közeg hűlése során egyre szabadabban „úszhatnak”, és így ténylegesen néha igen nagy távolságokat tehetnek meg ütközés nélkül. Ezt a folyamatot anomális diffúziónak is nevezik, és ennek következtében a megfigyelt végállapotban Lévy-eloszlás jöhet létre.
Hasonló ehhez az óceáni ragadozók mozgása is, amelyek néha igen nagy távolságot tesznek meg amíg halrajra bukkannak, de ha megtalálják a következő halrajt, annak a közelében maradnak, amíg jól nem laknak, utána pedig kereshetik a következő halrajt megint. A femtoszkópiában korábban szokásos Gauss-eloszlás feltételezése a halrajok mozgása esetében azzal lenne egyenértékű, ha az óceánt egyenletesen töltenék be a zsákmányállatok, a Lévy-eloszlás tulajdonképpen az ettől való eltérést is jelzi. Végeredményben a Lévy-eloszlás sokkal inkább kiterjedt, mint a Gauss-eloszlás – szaknyelven: exponenciális helyett hatványfüggvényszerű lecsengése van. Az elméleti javaslat először a European Physical Journal C folyóirat egy 2004-es cikkében jelent meg.
A magyar kutatók eredményei igazolták a feltevés helyességét, a kvarkanyagból keletkező hadronok eloszlása valóban Lévy-eloszlást követ. A Lévy-eloszlás egyik oka az is lehet, hogy a táguló közegben a hadronok egyre nagyobb utat tehetnek meg ütközés nélkül, és így a Gauss-eloszlásra vezető centrális határeloszlás-tétel („nagy számok törvénye”) helyett ennek általánosítása lesz érvényes. Ez azt is jelenti, hogy a korábbi mérések, amelyek Lévy helyett Gauss-eloszlás feltételezésével mérték meg a kvarkanyag téridőbeli struktúráját, minden bizonnyal újra elvégzendők, immár a helyes feltevéssel. A PHENIX kísérlet cikke a bírálók szerint fordulópontot jelent a nagyenergiás nehézion-fizika femtoszkópiai mérései területén: a jövőbeli ezirányú kutatások kiindulópontja lehet.
Ez a felfedezés azért is érdekes, mert az eloszlás pontos ismeretében a kvarkanyag (és a belőle keletkező hadron gáz) egyén paraméterei is igen pontosan mérhetők.
Az egyik ilyen paraméter például az, hogy a keletkező hadronok mekkora része keletkezik közvetlenül az „ősanyag” robbanásából, illetve mekkora részük származik instabil részecskék bomlásából. Az egyik ilyen instabil részecske az úgynevezett „éta-vessző” mezon, amely tulajdonságai ellenére meglepően nagy tömegű, de az nagy hőmérsékletű közegben helyreálló kvantumszimmetriák következtében egyfajta „tékozló fiúként” térhet vissza a kistömegű társai közé. Ezt a jelenséget ahhoz is hasonlíthatjuk, mintha egy ikerpár egyik, kissé túlsúlyos fele, a tökéletes kvarkfolyadékba mártva hirtelen elveszti tömegének közel felét és soványabb ikertestvéréhez hasonló tömegűvé válna. A folyamat végén megszűnik a tökéletes kvarkfolyadék, és az „éta-vessző” mezonok újra túlsúlyossá válnak, rendkívül gyorsan, mintegy 10-22 másodperc alatt. Ez ismereteink szerint a világon megfigyelt leggyorsabb tömegcsökkenési vagy fogyási folyamat -- melyet hasonlóan gyors tömegnövekedés, vagy hízási folyamat is követ. Erről a felfedezésről 2011-ben készült egy angol nyelvű ismeretterjesztő anyag is, amely az „Inside RHIC Magazin” 2011. január 11-i számában olvasható, a korábbi sajtóanyag magyarul is elérhető.
A PHENIX kísérletben publikált legújabb mérési eredményeink szerint az éta-vessző mezonok tökéletes kvarkfolyadékban 2011-ben megfigyelt jelentős tömegcsökkenése a legújabb, igen részletes és alaposan elvégzett és 2018-ban közölt kísérleti eredményeinknek sem mond ellent.
Azonban további részletes vizsgálatok elvégzésre van szükség, például ennek a jelenségnek további, közvetlenebb és a Bose-Einstein korrelációktól független módszerekkel történő megvizsgálását is tervezzük, hogy megvizsgálhassuk, más jelenség okozhat-e esetleg hasonló mérési eredményeket.
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.
A PHENIX kísérlet szakcikkét a magyar csoport Csanád Máté (ELTE) vezetésével készítette el, az analízist elvégző és
cikkelőkészítő bizottság magyar tagjai a következők voltak: Csörgő Tamás (MTA Wigner FK, Eszterházy Károly
Egyetem), Kincses Dániel (ELTE), Lökös Sándor (ELTE és Eszterházy Károly Egyetem), Nagy Márton (ELTE) és Wes
Metzger (Nijmegeni Egyetem, Eszterházy Károly Egyetem). A publikáció további magyar társszerzői: Bagoly Attila
(ELTE), Dávid Gábor (Brookhaveni Nemzeti Laboratórium és Stony Brook Egyetem), Imrek József (Debreceni Egyetem),
Kasza Gábor (ELTE és Eszterházy Károly Egyetem), Kiss Ádám (ELTE), Novitzky Norbert (Yvasykyla Egyetem és Stony
Brook Egyetem), Novák Tamás (Eszterházy Károly Egyetem), Ster András (MTA Wigner FK), Sziklai János (MTA Wigner FK), Tárnai Gábor (Debreceni Egyetem),
Vargyas Márton (ELTE és MTA Wigner FK) és Vértesi Róbert (MTA Wigner FK).
A szakcikket a PHENIX kísérlet magyar kutatói számos rangos nemzetközi konferencián bemutatták, kollégáikkal a
szükséges szakmai vitákat lefolytatták, és az eredményeket különféle konferenciaanyagokban is közölték:
• Kincses Dániel (a PHENIX együttműködés nevében), Acta Phys. Polon. Supp. 10 (2017) 627-631
• Csanád Máté (a PHENIX együttműködés nevében), Universe 3 (2017) no.4, 85
• Csanád Máté (a PHENIX együttműködés nevében), Il Nuovo Cimento 40 C (2017), 195
A PHENIX kísérlet szakcikke az arxiv.org/abs/1709.05649 linken érhető el. A cikket a belső szakmai bírálatok után 2018 április 23-án közlésre elfogadta az Amerikai Fizikai Társulat vezető mag- és nehézionfizikai folyóirata, a Physical Review C: https://journals.aps.org/prc/accepted/3f079Pf2W881610a558d55a327eedd6c604c7d753
Végül köszönetet szeretnénk mondani a PHENIX-es kutatásokat támogató szervezeteknek:
• Charles Simonyi Kutatói Ösztöndíj Bizottság
• Emberi Erőforrások Minisztériuma, Új Nemzeti Kiválóság Program
• Fulbright Magyar-Amerikai Oktatási Csereprogram Bizottság
• HAESF - Hungarian American Enterprise Scholarship Fund
• Magyar Tudományos Akadémia, Bolyai János Kutatási Ösztöndíj
• OTKA/NKFIH
• US National Science Foundation
• US Department of Energy, Office of Science
