Magyar kutató segítségével fejtették meg az ősrobbanás egyik rejtélyét

Az egyesült államokbeli Bookhaveni Nemzeti Laboratórium (Bookhaven National Laboratory) közleménye részletesen leírja a felfedezés jelentőségét, és büszkék lehetünk, mert egy honfitársunk is jelentősen hozzájárult az eredményekhez. Ahogy Petreczky Péter, a  laboratórium elméleti magfizika csoportjának vezetője lapunknak elmondta:

Most egy 20 éves kutatás végére került pont. Az elképzelést, ami az ősrobbanás során keletkezett anyag viselkedését vizsgálta, sikerült igazolnunk a számításokkal. Ebben nagy segítségünkre voltak a több évtizedes módszertani fejlesztések és a világ leggyorsabb számítógépei.

Ahogy a Physical Review Letters szakfolyóiratban is megjelent cikkben olvashatjuk, a „felszabaduló” kvarkoktól és gluonoktól a nehezebb kvarkokhoz való lendületátvitel a kvantummechanika által megengedett legnagyobb mértékben megy végbe.

A felszabadult kvarkok és gluonok olyan erős kölcsönhatásban vannak a nehezebb kvarkokkal, hogy áramlásukkal együtt magukkal húzzák a „sziklaszerű” részecskéket.

Tökéletes folyadék

Petreczky 19 évet dolgozott a projekten, és hozzáteszi, hogy 

a korai univerzum anyagainak vizsgálata volt a kutatás alapja. Akkor 100 000-szer melegebb volt, mint a Nap belsejében. Ezeket az extrém körülményeket az amerikai relativisztikus nehézion-ütköztetőben (RHIC), illetve az európai CERN nagy hadronütköztetőben (LHC) vizsgálták. Nagy segítségünkre voltak a világ legnagyobb teljesítményű szuperszámítógépei is.

A munkát Petreczky és kollégája, Swagato Mukherjee vezette, és a németországi bielefeldi, regensburgi és darmstadti egyetemek, valamint a norvég Stavanger Egyetem kutatói is részt vettek benne.

Az új elemzés alátámasztja, hogy ez a „kvark-gluon plazma” (QGP) néven ismert anyag egy majdnem tökéletes folyadék, amelynek a viszkozitása olyan alacsony, hogy a kvantummechanika által szabott határt súrolja. Petreczky elmondja, hogy a RHIC aranyion-ütköztetései során az egyes protonok és neutronok határai felolvadnak, a protonban és neutronban lévő elemi részecskék  pedig  felszabadulnak.

Az ütközés során keletkezett anyagnak (kvark-gluon plazma) alacsony a viszkozitása, ezért szinte súrlódás nélkül folyik. Az alacsony viszkozitás azt is jelenti, hogy az „olvadt” kvarkok és gluonok közötti szabad út rendkívül kicsi. Ez az átlagos szabad út az a távolság, amit a részecske megtehet, mielőtt kölcsönhatásba lépne egy másik részecskével.  

 A hagyományos anyagban a részecske szabadút-hossza elég nagy, akár ezerszerese az atomi méretnek, de a korai univerzumban az anyag szabadút-hossza egész más volt, ezt számoltuk most ki. Ez az ősanyag jobban áramlott, mint az általunk ismert mai, hagyományos folyadékok közül bármelyik.

Rövid, átlagos szabad út esetén a kvarkok és a gluonok gyakran és erősen kölcsönhatnak. Az ütközések eloszlatják a gyorsan mozgó részecskék energiáját, és az erős kölcsönhatásba lépő kvark-gluon plazma kollektív viselkedést mutat – beleértve a szinte súrlódásmentes áramlást.

Az ősi anyag szimulálása

„Két atommag ütköztetése  során a másodperc egykvadrilliónyi része alatt termikus rendszert kapunk” – mondta Petreczky. 

Mivel az  ősanyagban a  részecskék között sokkal nagyobb volt a kölcsönhatás, egy kevés részecske már kollektív viselkedést mutatott; ezzel szemben a hagyományos folyadékokra, például a vízre, ilyen kis mennyiségű molekulára ez nem jellemző – például ezer vízmolekula nem áramlik.

Így feltérképezték  a nehéz kvark kölcsönhatási erősségének hőmérsékletfüggését (és ezen kölcsönhatások átlagos szabad útját). A nehézkvark-diffúziós együttható közvetlenül azon a hőmérsékleten volt a legnagyobb, amelyen a kvark-gluon plazma  keletkezik. 

Az általa vezetett csoport számításainak fő eredménye a  kísérleti adatok elméleti alátámasztása volt.

(Borítókép: Shutterstock)