Szabad kvark bombák

Minden jel szerint sikerült a CERN-nek létrehoznia az oly rég óta kutatott kvark-gluon plazmát, ami legutoljára az ősrobbanásnál jött létre. Nem minden tudományos felfedezést kísér hangos üdvrivalgás. Jelen esetben a kutatás az anyagnak egy igen különleges állapotával foglalkozott, a kvark-gluon plazmával, amiben teljesen átlagos protonok és neutronok százai olvadnak egybe, hogy szabadon száguldozó kvark és gluon „levest” hozzanak létre. Ilyen kvark szószból állt a mai világegyetem 10 mikroszekundummal az ősrobbanás után kb. 15 biliárd évvel ezelőtt. A CERN falain belül (a CERN egy Genovánál lévő részecskefizikával foglalkozó laboratórium) hét kísérlet során gyűjtötték össze az adatokat.

Bár a kísérletek nem hoztak olyan világos és megdönthetetlen válaszokat, mint azt a kutatók remélték, ők mégis kellően eredményesnek tartják a kísérletsorozatot ahhoz, hogy február 10-én bejelentést tegyenek. „Mára elég bizonyítékunk van arra, hogy az anyag egy teljesen új állapotát sikerült előidézni,” állította Ulrich Heinz, a CERN elméleti kutatója. Ez az állapot, folytatta, „sok tekintetben megegyezik” a kvark-gluon plazma feltételezett formájával.

A legtöbb magas-energiájú részecskefizika kutató a lehető legkisebb részecskéket – protonokat vagy elektronokat – ütközteti, hogy legtisztábban értelmezhető eredményeket kapjon. Nem így a CERN, ahol a kutatók relatív góliátokat használnak fel, 208 protonnal és neutronnal rendelkező ólom részecskéket ütköztetnek. Az atommagokat majdnem fénysebességgel ütköztetik egy vékony ólom fóliának. Becsapódáskor több ezer részecske spriccel szét, amiket a közelben lévő kísérleti detektorok fognak fel. Ezekből a befogott részecskékből próbálják a fizikusok megtudni, hogy vajon sikerült-e az ütközés pillanatában elég forró és magas tömegű részecske-tűzgolyót létrehozni, amelyben a kvarkok már szabaddá válnak.

A kvarkok melyeket a találóan elnevezett gluonok (glue = ragasztó) kötnek össze, az anyagok alapelemei, belőlük épülnek fel nem csak a közismert protonok és neutronok, hanem az egzotikusabb részecskék is, melyek csak kozmikus sugarakban és részecskegyorsítókban találhatóak meg. Természetes állapotban a kvarkok be vannak zárva a részecskébe egy megkötés (confinement) elnevezésű erőhatás miatt. Minden kvark rendelkezik egy töltéssel, ami az elektromos töltéshez hasonlítható, ám itt három „színnek” nevezett variáció létezik. A megkötés szabályai szerint a kvarkok olyan hármasokat kell alkossanak, amelyek színe „fehérré” adódik össze, vagy pedig kvark-antikvark párost is alkothatnak, amelyek színe szintén semlegesíti egymást. Ahhoz, hogy egy részecske kvarkjait szétválasszuk, hatalmas energiára van szükség, és eredményképpen nem az történik, hogy a felszabadult kvarkok színesen mutogatnák magukat, hanem az irdatlan energia új kavarkokat és antikvarkokat teremt, amelyek bármely szabad kvarkokkal egyesülnek, hogy színük semlegesítve legyen. Ez az újrapárosodás akkor megy végbe, amikor egy kvark az eredeti társaitól egy femtométer (10-15 méter) távolságra kerül – az 1 femtométer a proton és neutron részecskék átlagos mérete.

A CERN-nél végzett kísérleteknél a két ólomatommag ütközésekor a két csoport proton és neutron közötti reakció az ütközés energiájából egy ködnyi új részecskét teremt. Alacsonyabb energiaszintnél ezek az új részecskék zömében hadronok, olyan részecskék, amelyek meghatározott fajtájú kvarkokból és antikvarkokból állnak. Eléggé magas energiasűrűségnél azonban az újonnan keletkező részecskék olyan szorosan állnak egymás mellett, hogy a rájuk vonatkozó megkötés szabályok értelmüket vesztik, mivel minden kvarknak olyan sok potenciális párja van egy femtométeren belül. Így ahelyett, hogy az anyag rengeteg hadron örvénylő tömegébe rendeződne, a tűzgolyó inkább egy szabad kvark-gluon köddé válik. A kvark-gluon plazmában lévő iszonyú energia és nyomás miatt szinte azonnal szétrobban, és a gyorsan csökkenő hőmérséklet és tömegsűrűség már nem képes a plazma állapotot fenntartani. A kvarkok gyorsan újra párokba rendeződnek és színtelen hadronokká válnak. A tűzgolyó, mely most már hadronok tömegéből áll, tovább hűl és tágul, míg a végén a hadronok elérik a detektorokat.

A fizikusok azért szerették volna előidézni ezt a plazma állapotot, mert remélik, hogy ez sokban megmagyarázhatja a világegyetem keletkezését. Mialatt a tűzlabda hűl és hadronokká alakul (amelyekből később atomok lesznek), ugyanaz játszódik le, mint az ősrobbanás alatt történhetett. A világegyetem általunk ismert növekedési folyamatait kísérletekkel eleddig már létezésének első három percéig sikerült megismerni, amikor a jelenlegi atomok létrejöttek. Ezzel a kísérlettel, hogy sikerült kvark-gluon plazmát létrehozni, „visszavezethetjük a tudásunkat egészen az ősrobbanást követő első mikroszekundumig,” állítja Reinhard Stock, a Frankfurti Egyetem kutatója, és a CERN kísérletek vezetője. A robbanáskor az explózió nyomása akkora volt állítása szerint „mint ha 150 szoláris tömeg hatna egy körömnyi területre.” (Apokaliptikus rajongóknak egy megjegyzés: a plazma feltételezett létrejötte nem hozott létre sem mini feketelyukat, sem más földpusztító jelenséget, amikkel pár újságcikkben tavaly ijesztgettek minket.)

A CERN tudósai szerint több olyan jel is van, ami bizonyítani látszik, hogy ténylegesen sikerült a kvark-gluon plazmát létrehozni. Első ezek közül a különböző hadronok relatív száma, ami megmutatja, hogy milyen hőmérsékletű és energiasűrűségű közegben jöttek létre. A kísérlet adatai megegyeznek azzal a szinttel, ami elméletben ahhoz kell, hogy plazmaállapot jöjjön létre. Az energiatömeg körülbelül kétszerese a normális atomtömegnek, és a tűzgolyó a fénysebesség 55%-ával tágul akkor, amikor a hadronok "„kikristályosodnak” belőle.

Egy másik plazmára árulkodó jel, az idegenszerűség fokozódása, ami egy bizonyos fajta kvark jelenlétére utal. Összesen hat féle, vagy „ízű” kvark létezik, és mindegyiknek olyan izgalmas neve van, mint felső, alsó, idegen, vonzó, alj és tető. A világban lévő anyagok elnyomó többsége a könnyedebb felső és alsó kvarkokból áll: két felső és egy alsó kvark alkotja ugyanis a protont, és két alsó és egy felső pedig a neutront. A kísérletek során laboratóriumokban előállított idegen részecskék legalább egy idegen kvarkot vagy antikvarkot tartalmaznak.

Az idegen kvarkok nehezebbek a felső és alsó kvarkoknál, ami megnehezíti előállításukat. A 80-as évek elején az elméleti fizikusok feltételezték, hogy nagy számban kell ezeknek a kvarkoknak a plazmában előfordulni, ahol az energiaszintek olyan magasak, hogy az idegen kvark-antikvark párok is olyan könnyen jöhetnek létre, mint a felső és alsók. A CERN kísérleteknél számos olyan jelenség fordult elő, ami idegenséget jelez. Amikor a körülmények ideálisak voltak a plazma létrejöttéhez, az idegenségi szint kétszeresére nőtt, és egy omegának nevezett részecske, amely három idegen kvarkot tartalmaz, 15-ször annyiszor fordult elő, mint megszokott. Az ilyen „multiidegen” részecskék hirtelen gyakori előfordulása a plazma előjele.

Amíg az idegenség növekszik, a kvark-gluon plazmában, a vonzó kvarkok száma, akik eggyel nehezebb kvarkok, pedig csökken, mint azt 1986-ban megjósolták. A figyelem a ţ/ψ mezonra terelődik, ami vonzó kvarkból és antikvarkból áll. A vonzó kvark párok olyan testesek, hogy kizárólag a magasenergiájú proton-neutron ütközések kezdeti robbanás stádiumában tudnak létrejönni, már a tűzgolyó állapot sem teszi lehetővé fennmaradásukat. Hogy hány vonzó kvark pár ér el a detektorokig mint ţ/ψ mezon, az attól függ, hogy kell-e kvark-gluon plazmán áttörnie magát: a forró, örvénylő plazma szétválasztja a vonzó pár kvarkjait és antikvarkjait, s így azokat mint már más fajtájú hadronokat érzékelnek a detektorok. A CERN kísérletek során feljegyzett ţ/ψ szint csökkenés „kizárja, hogy a megszokott anyagi állapotokra vonatkozó törvények működtek volna”, kommentálja Louis Kluberg, a francia Palaiseau-ban lévő High Energy Nukleáris Fizika Laboratórium munkatársa.

Mindezek azt bizonyítják, hogy valóban létrejött a kvark-gluon plazma. „Ezek mellett még mi értelme”, kérdezi Heinz, „megkérdőjelezni, hogy ténylegesen sikerült-e a plazmát létrehozni?”

Az egyedüli probléma, hogy ezek a jelek mind csupán indirekt bizonyítékok, mivel azon alapulnak, hogy milyen részecskéket érzékelnek, miközben a plazma visszaváltozik normális hadronokká. Hogyha lenne egy pontos és meghatározható elmélet, ami körülírná az ütközéseket, ezek a közvetlen mérések nem okoznának problémát, csakhogy ilyen elmélet nincsen, és így a kutatók különböző becslésekre és számítógépes modellekre kell támaszkodjanak, amikben sok a feltételezés, hogy vajon melyik számolási mód fogja leginkább megjósolni a kísérlet során mért adatokat. Néhány kutató megpróbál majd „provokálni”, hogy kifőzzenek egy olyan modellt, amely csak hadronütközésekre korlátozódik, és ami képes az összes CERN adatot megmagyarázni.

Egyetlen módja, hogy ezt a sok munkát megspóroljuk, ha közvetlenül a plazmából nyerünk tiszta adatokat – ha olyan részecskéket vizsgálunk, amelyek nem lépnek erős reakcióba kvarkokkal és gluonokkal és emiatt szabadok maradnak a plazmától, míg az fennáll. Közvetlen jeleket hordoznának a meglévő állapotokról. Például, a kvark-gluon plazma létrejötte erősen meg kellene, hogy emelje a kibocsátott fotonok számát. Így a CERN foton adatai kétséget kizáróak, szinte elöntötte őket a fotonok árja, ami csak plazma jelenléténél lehetséges. „Érdekes jelei jelentkeztek, direkt fotonok meglétének is, de csak elenyésző számban”, állítja Heinz.

Ezek a közvetlen bizonyítékok a Relativisztikus Nehéz Ion Ütköztetőre várnak (RHIC), ami az uptoni Brookhaven Nemzeti Laboratóriumban található. Itt fogják azokat a kísérleteket folytatni, amelyekben arany ionokat ütköztetnek össze. A felhasználható ütközési energia tízszerese lesz a CERN programjában lévőnél, ami egy magasabb hőmérsékletű és tovább fennálló plazmát kell létrehozzon, s így sokkal megbízhatóbb és közvetlenebb mérési adatokkal is tud majd szolgálni. A RHIC plazmája jóval magasabban kell majd hogy legyen a plazma – hadronná darabolódás fázisnál, s így a plazma számos új és részletesebb tanulmányozási módját engedi meg, nem csupán egy bizonytalan találgatást, hogy létrejött-e egyáltalán.

stat