Pandora, Gabriella
7 °C
14 °C

Magyarok kutatják az univerzum folyékonyságát

2008.03.07. 21:59
Az egyre nagyobb teljesítményű részecskegyorsítóknak és az egyre fejlettebb csillagászati és számítástechnikai eszközöknek köszönhetően virágzik ma az elméleti fizika. A kutatásokból a magyar tudósok is kiveszik a részüket: bő egy éve az ELTE fizikusai mondtak újat az ősrobbanásról, tavaly pedig a New Scientist is beszámolt arról, hogy az MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutató Intézetének (RMKI) munkatársai az ötödik dimenzió létezését próbálják igazolni. A legutóbbi magyar siker a nagyenergiás nehézion-fizikában született: hazánk kutatói is részt vesznek abban a nemzetközi kísérletben, amely a születő univerzum folyékonyságáról szolgált új információval. Fénysebesség, két terakelvines hőmérséklet, 1034 pascalos nyomás – a hétköznapi ember számára felfoghatatlanul nagy számok következnek.

A kísérletet az Egyesült Államokban, a Brookhaveni Nemzeti Laboratórium RHIC részecskegyorsítójánál végezték. Az RHIC a világon az első és egyetlen olyan ütköztető, amelyet kifejezetten a nagyenergiás nehézionfizikai kutatások céljából építettek. A létesítményben nehézionokat, elektronjaiktól megszabadított, szinte teljesen ionizált atomokat ütköztetnek egymással a fénysebességhez igen közeli sebességgel. Az ütközésekben az anyag olyan állapota jön létre, amilyen pillanatokkal az univerzum születése, vagyis az ősrobbanás után lehetett a világegyetemben. Nem csoda, hogy ezeket a kísérleteket a rájuk jellemző óriási energiasűrűség miatt Kis Bummnak is nevezik a fizikusok.

Az RHIC gyorsító négy kísérlete a BRAHMS, a STAR, a PHOBOS és a PHENIX, a magyar fizikusok az utóbbiban dolgoznak a 2002 végén aláírt PHENIX–Magyarország-együttműködés keretében. Az ELTE Atomfizikai Tanszéke, a Debreceni Egyetem és az MTA KFKI RMKI együttműködését az RMKI koordinálja. Az utóbbi bő öt évben a PHENIX kísérlet eredményeit neves szakfolyóiratokban, többségében a Physical Review Lettersben publikálták.

Két aranyion nem centrális ütközése (forrás: Brookhaven Nemzeti Laboratórium)

Ütközések

„Kis szerepet játszunk csak a kutatásban – szerénykedik Csanád Máté, az ELTE fizikusa. – Nagyjából ötszáz ember vesz részt az együttműködésben, ebből körülbelül tíz magyar. Az úgynevezett Zero Degree Calorimeter alprojekt a mi felelősségünk. Ez a kaloriméter egy detektor, ami azt vizsgálja, hogy egy-egy ütközés mennyire volt centrális, vagyis hogy a két üköző nehézion mennyire találta el egymást.”

A detektorrendszer minden évben néhány hónapig működik, általában télen, mert akkor könnyebben lehet hűteni a gyorsítót működtető mágneseket (az RHIC működtetési költségének legnagyobb részét ezeknek a mágneseknek az energiafogyasztása teszi ki). Most éppen a nyolcadik kísérletsorozat indult el, utána Csanádék újra hónapokig elemzik majd a kapott adatokat. Kötelezően részt kell venniük az üzemeltetésben, különböző szoftverek programozásában és felügyeletében, és az adatfelvételben is.

Ami a kísérletek elméleti részét illeti, a magyarok az elliptikus folyás vizsgálatában dolgoztak sokat. Ez a jelenség összefügg az ütközések centralitásával, és a kísérletek során létrejött közegben a részecskék impulzusának eloszlásáról ad információt. „Ezenkívül hidrodinamikai modelleken is dolgozunk, ami annyiban egyedülálló, hogy kevés olyan fizikus van, aki ilyen modelleket fejleszt, és benne is van a kísérletekben – fogalmaz a kutató. – Az ütközéskor keletkező, számunkra ismeretlen közeg tágul valahogy hidrodinamikai módon, erre próbáljuk alkalmazni hidrodinamikai egyenleteinket, modelljeinket és szimulációinkat.”

Az ütközésben keletkezett anyag elnyeli a részecskesugarak egy részét (forrás: Jeffery Mitchell, Brookhaven Nemzeti Laboratórium)

Szuperforró, szuperfolyékony

Az RHIC-ben létrehozott ütközésekkor a hőmérséklet meghaladja a 2 terakelvint (2 x 1012 kelvin), a nyomás a 1034 pascalt. Hogy miért nem ég porrá, illetve robban szét a gyorsító, arra egyszerű a magyarázat: rettenetesen kicsi ideig és nagyon apró térrészben jön létre ez az elképzelhetetlenül forró (a Nap középpontjánál milliószor forróbb), az univerzum korai állapotát idéző, ismeretlen és éppen ezért izgalmas anyag. Ez az állapot egy atommag térfogatának megfelelő térrészben jön létre, kitágul ennek a méretnek a néhányszorosára, majd onnantól kezdve nagyon gyorsan hűl.

Dr. Csörgő Tamás, az együttműködés RMKI-s témavezetője öt mérföldkőben foglalja össze az anyaggal végzett eddigi kutatásokat az MTA honlapján. Eszerint az első nagy eredmény az volt, hogy arany-arany ütközések során felfedezték: bizonyos részecskesugarakból a vártnál kevesebb keletkezik. Ennek az egyik lehetséges magyarázata, hogy az ütközésben keletkezett anyag elnyeli a részecskesugarak egy részét. A kutatók másik ötlete az volt, hogy a fényhez igen közeli sebességgel mozgó atommagokban egyszerűen megváltozik a részecskesugarak keletkezésének valószínűsége. A következő kísérletben ennek ellenőrzésére végeztek ellenpróbát deutérium- és aranyionnal. A kis deuteron és a nagy arany nehézion ütközésekor nem tapasztalták a jelenséget, ezért eldőlt, hogy a helyes magyarázat a részecskesugarak elnyelődése.

Az RHIC négy kísérletének következő nagy – és meglepő – felfedezése az volt, hogy az ütközések során pillanatokra létrejövő új anyag leírásakor az anyagot gázként feltételező modellek kudarcot vallanak, viszont a folyadékból kiinduló modellek működnek, tehát a létrejött anyag nagy valószínűséggel folyadék. A PHENIX e témában született cikke 2006-ban a második legidézettebb magfizikai témájú publikáció lett, konklúziója az volt, hogy a jelenleg ismert legmagasabb hőmérsékleten az anyag folyadékként, ráadásul gyakorlatilag viszkozitásmentes, vagyis tökéletes folyadékként viselkedik. Sőt mivel az elliptikus folyási kép vizsgálatakor a kutatók azt tapasztalták, hogy az elemi részecskéket felépítő kvarkok szabadon jelennek meg, megállapították, hogy ez a folyadék kvarkok folyadéka.

Végül tavaly azt is kimutatták, hogy mennyire tökéletes ez a folyadék. A folyás csillapodására jellemző mennyiség, a kinematikai viszkozitás a 2 terakelvines anyag esetében csupán egynegyede volt az eddig ismert legtökéletesebben folyó anyagénak, a 4 kelvin alatti hőmérsékletű, ultrahideg héliuménak.

Aranyion ütközése aranyionnal (forrás: Brookhaven Nemzeti Laboratórium)
Aranyion ütközése deuteronnal (forrás: Brookhaven Nemzeti Laboratórium)

Mint a békacomb

A kísérletek kezdetekor egyfajta plazmára számítottak, senki sem jósolta, hogy az ember által előállítható legmagasabb hőmérsékleten az anyag szuperfolyékony folyadékként viselkedik. „Ez olyan, mint amikor Indiát akarták megtalálni, és felfedezték Amerikát. Most mi is feltérképezzük az új földet” – mondja Csanád. Az éppen most folyó kísérletsorozatban újra deutérium-arany ellenpróbákat csinálnak, és még precízebb méréseket végeznek.

„Szeretnénk olyan hidrodinamikai modelleket találni, amelyek a nehézion-ütközések kezdetétől, a legforróbb és legsűrűbb tartományról is részletesebb ismereteket nyújtanak – fogalmaz a kutató. – Végső soron akkor lennénk igazán elégedettek, ha »megrajzolhatnánk« az erősen kölcsönható anyag tulajdonságaira jellemző térképet, vagyis azt, hogy a hőmérséklet és a nyomás függvényében mikor folyadék, mikor gáz, mikor plazma, vagy másféle halmazállapotú-e az ütközésekben keletkező ősi-új anyag.”

És hogy mire jó mindez, miként térül meg majd az atommagok ütköztetésére fordított pénz és szellemi energia? „Még nem tudjuk – mondja a fizikus. – Amikor Galvani kísérletezett a békacombbal, még fogalma sem volt arról, mire jó az, csak látta, hogy van egy új jelenség, és meg akarta érteni. Nagyrészt mi is a megismerésre pályázunk. Hogy mi lesz belőle, azt ma még nem tudjuk elképzelni sem.”

„Annyi biztos, hogy a felfedezéssel találkoznak majd a diákok – teszi hozzá Csörgő. – A jelenleg ismert legforróbb anyag egyben a legfolyékonyabb is – ennek tankönyvben a helye. Egyébként van egy jó tudományos legenda arról, amit ön kérdez. Amikor a Brit Tudományos Akadémia nyilvános ülésén Faraday ismertette az általa felismert elektromos jelenségeket, az ugyancsak jelen lévő pénzügyminiszter, William Ewart Gladstone megkérdezte a tudóst, hogy mire lesz jó a felfedezése. A válasz így hangzott: Ön, miniszter úr, ezt egyszer még meg fogja adóztatni.”