A CERN ALICE kísérleti együttműködés legújabb eredményével közelebb jutott a hadronok közötti erős kölcsönhatás megismeréséhez, a Nature-ben megjelent friss tanulmány szerint ugyanis elsőként sikerült pontosan meghatározniuk a protonok és ritka omega (Ω−) részecskék közötti kölcsönhatást. Ez az eredmény új távlatokat nyithat meg a csillagászati kutatásokban is, hiszen egy lépéssel közelebb visz ahhoz, hogy a szupernova robbanások utáni visszamaradt pulzárok szuper-sűrű, hideg maganyagát tudják vizsgálni a kutatók, ami közvetlen megfigyeléssel nem lenne lehetséges. Ezáltal olyan új elméleti modelleket dolgozhatnak ki, amelyek segítségével később a hiperoncsillagokra utaló jeleket kereshetnek sokcsatornás asztrofizikai módszerekkel (gravitációs hullámokkal, gamma- és rádióteleszkópokkal).
Művészi ábrázolás az ALICE kísérlet legújabb eredményéről, egy Ω− hiperon (balra) és egy proton (jobbra) kölcsönhatásáról, (Kép: CERN)
De mik azok a hiperonok? Az atommagok protonjait és neutronjait kvarkok építik fel. Barionoknak nevezzük a három kvarkból álló részecskéket, így például a protont két u (up) és egy d (down) kvark, míg a neutront két d (down) és egy u (up) kvark alkotja.
Barionok szerkezete: a proton (uud) és a neutron (udd)
A kvarkok azonban 6-félék lehetnek, a könnyebb kvarkoktól a nehezebbek felé haladva: u (up), d (down), s (strange), c (charm), b (bottom), t (top). Az erős kölcsönhatást leíró elmélet, a kvantum-színdinamika, szerint a kvarkok önmagukban nem megfigyelhetőek, csak hadronokba bezárva, amelyek lehetnek pl. barionok, antibarionok vagy mezonok.
A kvarkokról típusai: felül a könnyű u és d kvarkok, alul a nehezek: s,c,b,t.
A Nagy Hadronütköztetőben egyre nagyobb energiájú ütközéseket tudunk létrehozni, amelyekben egyre nagyobb számban jelennek meg a nehezebb kvarkok. Ezekből – rövid időre – nehezebb barionok, úgynevezett hiperonok is keletkezhetnek. Hiperonokban már nem csak u és d kvarkok, hanem nehezebbek is megjelennek. Ilyenek például a nagy görög betűkkel írt: lambda Λ0 (uds), a kaszkád Ξ− (dss) vagy az omega Ω− (sss).
Az omega Ω− (sss) hiperon.
A nagyenergiás mag- és részecskefizika egyik legfontosabb kérdése ma, hogy miként hatnak kölcsön a különböző kvarkokból álló hadronok, például a barionok. Különösen fontos kérdés, hogy mi a hatásmechanizmus a nehezebb kvarkok, illetve a belőlük felépülő nehéz hiperonok között.
A hiperonok közötti kölcsönhatást többek között azért is nehéz megmérni, mert nem sokkal a keletkezésük után elbomlanak. Ezt a pillanatot sikerült most elcsípni a CERN ALICE detektorának segítségével, ahol a protonok és az Ω− részecskék közötti kölcsönhatást mértük meg az Ω− elbomlása előtt, amelyről a Nature szaklapban olvashatunk (arXiv:2005.11495). De vajon miért ennyire érdekes ez az eredmény?
Az ALICE kísérletben az Ősrobbanást (Big Bang) követő milliomod-másodpercekben létrejött anyagot az úgynevezett kvark-gluon plazmát kutatják. Ez a forró, sűrű anyag szimmetrikus volt abban a tekintetben, hogy egyformán tartalmazta a kvarkfajtákat. A mai kihűlt Univerzumban azonban csak a legkönnyebb u és d kvarkokból álló barionos anyagot láthatjuk – elvétve találunk csak hiperonokat. Azonban mind ez idáig nem bizonyított, hogy létezhet-e hiperonos, például s (strange) kvark tartalmú anyag a mai Világegyetemben.
Az ALICE kísérleti berendezés a CERN-ben szétszerelt állapotban 2020. júliusában. (Fotó: CERN)
„A mai tudásunk szerint hiperonok előfordulhatnak a szupernova robbanások utáni visszamaradt pulzárok szuper-sűrű, hideg maganyagában – azonban ezek direkt megfigyelése nem lehetséges. A hiperoncsillagok, vagy más néven ritkaság-tartalmú csillagok modellezéséhez pontosan ismerni kellene a részecskék közötti kölcsönhatást, ami lehetővé teszi, hogy precízebb elméleti modelleket készíthessünk. Ha ez sikerül, akkor például a hiperoncsillagokra utaló jeleket kereshetünk a sokcsatornás asztrofizikai megfigyelésekkel: gravitációs hullámokkal, gamma- és rádióteleszkópokkal, ahogy a például a Wigner FK-ban a Gravitációfizikai Kutatócsoport is végzi.” – mondja dr. Barnaföldi Gergely Gábor a Wigner FK Nehézionfizikai Kutatócsoport vezetője, aki maga is tagja az ALICE kísérleti együttműködésnek.
„Jelen eredmény több szálon is kapcsolódik a Wigner Fizikai Kutatóközponthoz” – fejti ki a kutató – „egyrészt a Nehézionfizika kutatócsoportban elméleti modelleket dolgozunk ki a pulzárok belső szerkezetének megértésére; emellett a Magyar ALICE Csoport kísérleti kutatás-fejlesztései – az adatgyűjtő rendszer (DAQ), az időprojekciós kamra (TPC) és a belső nyomkövető rendszer (ITS) fejlesztései – jelentősen hozzájárultak ahhoz, hogy az ALICE kísérleti berendezésbe ki tudják mérni a barion és hiperon részecskék közötti kölcsönhatást.”
Hiperoncsillag – elképzelt művészi ábrázolása (Maciej Rebisz, Quanta Magazine)
A CERN angol nyelvű sajtóközleménye ide kattintva olvasható.
