Új anyagot fedeztek fel az LHC-ben

Váratlan felfedezést tettek a svájci Nagy Hadronütköztető (Large Hadron Collider, LHC) CMS kísérletének résztvevői, amin még ők is meglepődtek. A közelmúltban létrehozott kétmillió proton-ólom ütközésből az derült ki, hogy a korábban tapasztaltakkal szemben a közel fénysebességgel végrehajtott karambolok hatalmas energiája miatt keletkező elemi részecskék közül néhány következetesen ismételhető módon, egymással összefüggő irányban repül szét, nem pedig véletlenszerűen, egymástól függetlenül, ahogy korábban hittük.

A jelenséget korábban már proton-proton ütközésekkor is látták, ahol a keletkező részecskék közül csak néhány párra jellemző ez az együttmozgás, és csak azokban az ütközésekben figyelhető meg, ahol különösen sok részecske keletkezett. Ezért a kutatók nagy reményekkel fordultak a proton-ólomion ütközések felé. Itt eleve jóval nagyobb számban keletkeznek elemi részecskék, így a speciális párok is többször kerülhetnek elő. Az viszont még a kutatókat is váratlanul érte, hogy egy hónapnyi méréssorozat helyett már az első, nyolc órás próbamérés alig kétmillió ütközése is elég tapasztalatot adott a tanulmány elkészítéséhez.

„Az biztos, hogy a szétrepülő részecskék közül néhány azonos irányba repül, bár az még nem teljesen tiszta, hogy ezt hogy vezénylik le egymás között” – fogalmazta meg az észrevételeket Gunther Roland, a tanulmány egyik társszerzője. A CMS kísérlet eredményeit hivatalosan a háromezer tudós együttes erőfeszítéseként hirdetik ki, de magyar szempontból érdemes kiemelni Veres Gábort, aki a mostani eredményeket közlő nehézion-csoportjának vezetőjeként vett részt a kutatásban.

A jelenségre egy korábban már megszületett, úgynevezett színes üveg kondenzátum (color-glass condensate, CGC) elmélet lehet a magyarázat. A CGC az ütközésekkor keletkező, folyadékszerű gluonhullám lehet az, ami a szokatlan pályára kényszerít egyes részecskéket. Ezt az új típusú anyagot korábban még sosem állították elő, a létezését feltételező elmélet is nagyon újszerű, alig tíz éve került elő. Az ötlet az, hogy színes üveg kondenzátum létrejöttéhez egy a fény sebességét megközelítő sebességgel száguldó részecskére, például egy protonra van szükség, amivel a relativitáselméletnek megfelelően furcsa dolgok történnek a száguldás közben.

A proton szemszögéből minden normális marad, azonban mindenki más, ami lassabb nála (például mi, vagy az LHC detektoraiba épített érzékelők), két dolgot vesz észre: egyrészt a proton „összenyomódik” a haladási irányának megfelelően, másrészt pedig lelassul számára az idő. Ha ezt az időben lelassult és összepréselődött protont nekivezetjük egy ellentétes irányból érkező ólomionnak, akkor a proton az alkotóelemeire bomlik, többek között gluonokra.

A gluon az a ragasztó (innen, vagyis az angol glue szóból származik a neve is), ami a protonban található kvarkokat tartja össze (a kvarkokból pedig mezonok és barionok állnak össze – például ezekből a részecskékből épülnek fel az atomok magjai,  vagy épp a protonok). Az ütközéskor felszabaduló, nagy sebességű gluonok alkotják a CGC-t. Két ilyen kondenzátum ütközésekor keletkező anyagot hívjuk kvark-gluon plazmának, ami nagyjából az az ősleves, ami az univerzum születésekor jelen volt.

A színes üveg kondenzátum elnevezés némi magyarázatra szorul. Nem hagyományos színekről van szó, hanem inkább csak jelölésekről, amik a három különböző töltöttségi állapotot jelzik (pirosat, zöldet és kéket). Az üveg szó használata sem teljesen megfelelő, mert a kutatók ezt úgy értik, hogy az amúgy nagyon is folyadékszerűen viselkedő és rendezetlenül, tehát nem kristályrácsban elhelyezkedő gluonokat a megfigyeléskor szilárdnak látjuk. Ez nagyjából megfelel annak, hogy az üveget – rövid ideig vizsgálva – szilárd anyagként ismerjük, viszont  hosszú időtávon nézve a folyadékok tulajdonságait is felfedezhetjük benne. A kondenzátum szó a három közül a legegyszerűbb: mindössze annyit jelöl, hogy a CGC-t egymáshoz nagyon közel álló gluonok sűrűje adja ki.

A mostani meglepő felfedezésnek több fontos következménye is van. Egyrészt rámutat arra, hogy az LHC mennyi mindent tartogat még, a Higgs-bozon valószínű felfedezése csak egy ezek közül. Másrészt nagyon úgy tűnik, hogy sikerült előállítani egy korábban csak elméletben létező anyagot. Harmadrészt minél többet tudunk arról, hogy is áll össze az anyag az egyes elemi részecskéken belül, annál közelebb kerülünk a világ keletkezésének megértéséhez.