Beáta, Izolda, Lea
0 °C
17 °C

Az ősrobbanás csak pukkanás volt az ELTE kutatói szerint

2006.12.04. 12:21
A Galaxis útikalauz stopposoknak legtöbbet idézett fejezete az, amelyikben az emberek megépítik Bölcs Elmét, a szuperszámítógépet, aki "magának a Nagy Bummnak az atomi vektorairól elmélkedik". Az emberek megkérdezik a masinától, mi a válasz az Élet, a Mindenség Meg Mindenre. A szerkezet 7,5 millió évig gondolkodik, majd kiböki hogy negyvenkettő, és kiderül, hogy a kérdéssel volt baj. Az ELTE Elméleti Fizika Tanszékének kutatói megfelelő módon tették fel kérdésüket a saját Bölcs Elméjüknek, a válasz pedig egy tavalyelőtti Nobel-díjas elismerését is kivívta.

Szerénynek tűnő, értelmes tudósarcok vesznek körül, egyikük angyali türelemmel magyarázza, miről szól az a cikk, amit elküldtek az Indexnek. Nyugtatgatom magam, hogy nem az én készülékemben van a hiba, elvégre az írás pontos címe "A kvantum-színdinamikai átmenet rendje a részecskefizika standard modelljének jóslataként" – aki ezt hosszas előtanulmányok nélkül megérti, az vagy zseni vagy fizikus. Esetleg mindkettő egyszerre.

A cikk az egyik legnagyobb presztízsű tudományos folyóiratban, a Nature-ben jelent meg még októberben, négy magyar és egy japán szerzőtől. A tanszék kutatói, Fodor Zoltán professzor, Katz Sándor tanársegéd, Endrődi Gergely diplomamunkás fizikus hallgató és a doktorandusz Szabó Kálmán a német Wuppertali Egyetem kutatójával, Jaszumicsi Aokival adták közre bő egy éve indult kutatásuk eredményét. Az írás alaposan felkavarta a tudományos életet, de hogy megértsük, miért, ahhoz meg kell ismerkednünk a kvarkokkal és a gluonokkal.

Raiders of the lost kvark

A kvarkok a protonokat és neutronokat is alkotó elemi részecskék, a gluonok pedig a kvarkok közti kölcsönhatást közvetítő részecskék. A kvarkok furcsaságai közül csak az első, hogy minél távolabb vannak egymástól, annál erősebb köztük ez a kölcsönhatás. A másik jellemzőjük, amit hétköznapi elmével nehéz rögtön megérteni, a színük. Bár az elemi részecskék tudománya, a kvantumfizika megkülönböztet egymástól kék, piros és zöld kvarkokat, a színt olyasféle tulajdonságként kell értelmezni, mint az elektromos töltést. A színek felosztása logikus, a piros, a kék és a zöld együtt kiadja a semleges állapotot, a fehért. Hogy még cifrább legyen a helyzet, a színeknek is megvan az ellenpárjuk, így a háromféle kvark mellett három antikvarkot is számon tart a kvantumfizika.

Így már más értelmet nyer a cikk címében szereplő kvantum-színdinamika szóban a "szín": ez a résztudomány a kvarkok és az általuk felépített többi részecske közötti kölcsönhatást vizsgálja. Szinonimája a kvantumkromodinamika, ami nemcsak azért jó, mert scrabble-ben tarolni lehet vele, hanem azért is, mert elfogadott rövidítése a QCD, ami megspórol némi munkát a nem leütésre fizetett újságírónak. A QCD egyik legnagyobb kérdése pedig nem kevesebb, mint az, hogy hogyan keletkezett az ismert világegyetem.

Átmeneti problémák

Katz Sándor egy példával próbálja érzékletesebbé tenni a kérdést. Ha a vizet felforraljuk, buborékok keletkeznek, és a víz gőz formájában távozik. Ebben a kétfázisú – sűrű víz, híg gőz – rendszerben a sűrűség hirtelen ugrik egyik fázisból a másikba, ezt nevezzük elsőrendű fázisátmenetnek. Ha azonban a vizet nagyon összenyomnánk, és úgy melegítenénk, a sűrű állapotból folytonosan menne át hígba – ez a fajta fázisátmenet a crossover. Ha grafikonon ábrázolnánk, ez utóbbi egy szépen követhető, extrém magas csúccsal nem rendelkező görbe lenne, míg az elsőrendű fázisátmenet grafikonjában hatalmas ugrás jelentkezne az átmenet helyén.

A crossover szemléltetése: balról jobbra hűl a világegyetem, de a kötött állapotok nem hirtelen, hanem folyamatosan jelennek meg (forrás: ELTE)

A kutatók által feltett kérdés – akárcsak Douglas Adams művében – a Nagy Bumm atomi vektoraira vonatkozott: arra voltak kíváncsiak, hogy a korai világegyetemben lezajlott fázisátmenet crossover típusú volt vagy elsőrendű? Az univerzum ugyanis kezdetben egyetlen nagy kvark-gluon plazma volt, ahol a részecskék – mivel igen közel voltak egymáshoz – szabadok voltak. A világegyetem ebből a Fodor professzor által melegnek nevezett fázisból valamikor átment hidegbe, vagyis a szabad kvarkok összeálltak bonyolultabb részecskékké, például protonokká és neutronokká. "A maga szemüvegét is ezek alkotják most" – rángat vissza a jelenbe a professzor.

Ez a folyamat az, amit ma ősrobbanásként ismerünk, és amiről a kvantumfizikusok sokáig úgy sejtették, hogy elsőrendű fázisátmenetként történt. Később egyre többen kezdtek kételkedni ebben, de az ELTE kutatóinak sikerült először igazolniuk, hogy az átmenet valójában crossoverként zajlott – vagyis a robbanás inkább egy hosszabb, de halkabb pukkanás volt. A bizonyításhoz a tudósok sütnivalója mellett kellett egy Bölcs Elme és rengeteg idő.

Görbe utakon

A kutatók végigvezetnek a felfedezés egyik helyszínén – a teremben körülbelül 50 pécé lehet. "Ezek spécibb gépek, nVidia videokártyákkal" - mondja Katz úr, bár nem értjük, hogy mi jelentősége van a videokártyakérdésnek ebben a nagy lebegőpontos hadműveletben. "A pincében még nagyjából 320 gépünk van, a Wuppertali Egyetemen pedig közel 1200 pécé vett részt a számításokban." A hűtőventillátorok zúgókórusában szinte érzem a számítógéprendszer másfél-két teraflopsos megveszekedett erejét (a flops a másodpercenként elvégzett lebegőpontos művelet számát mutatja), és nagyjából ez az a pillanat, amikor eszembe jut a galaxis útikalauzos hasonlat.

Az egyik budapesti számítógépklaszter részlete (forrás: ELTE)
ALiceNext, az egyik wuppertali klaszter (forrás: Wuppertali Egyetem)

A géppark ismeretében őszintén megdöbbenek, amikor a kutatók elmondják, hogy a masináknak csupán két számot adtak meg, és a gépek azokkal számolgattak egy évig. Az input két részecske, a kaon és a pion tömege volt, az előbbi a proton tömegének közel fele, az utóbbi pedig nagyjából egyhatoda (mindkét részecske egy kvarkból és egy antikvarkból áll). A tudósok a kvantumfizika igen bonyolult, e cikkben terjedelmi okokból sem részletezhető egyenleteit engedték rá a számokra, és többféle feltétel mellett keresték a választ az univerzumban lezajlott átmenet minőségére.

A legfontosabb feltétel talán a vizsgált közeg, vagy ahogy a kutatók fogalmaznak, "doboz" mérete. Az elsőrendű fázisátmenet jellemzője ugyanis, hogy eltérő dobozméretnél más a már említett grafikon csúcsa, végtelen méretű doboznál pedig végtelen a csúcs. A magyar fizikusoknak minden esetben ugyanaz a - nem túl magas csúccsal rendelkező - görbe jött ki, így jutottak arra a következtetésre, hogy az ősrobbanás crossover folyamat volt. A kutatók négy különböző felbontásban és más részecskékkel számolva is ezt az eredményt kapták. Azóta meghatározták az átmenet abszolút skáláját is, és azt, hogy hány Celsius fokon ment végbe az átmenet (körülbelül 10 a tizenkettediken, azaz 1000 milliárd Celsius fok).

Ábra a cikkből: két felbontás mellett egy fajhőhöz hasonló mennyiség a hőmérséklet függvényében. A különböző színek különböző dobozméreteknek felelnek meg. Látszik, hogy a csúcsok nem függenek a doboz méretétől (forrás: arXiv.org)

Célravezető egyszerűség

"Ez eddig senkinek nem sikerült, bár sokan próbálkoztak vele" – büszkélkedik Fodor professzor. "Akadnak hadseregnyi csoportok, akik sokkal nagyobb gépparkkal rendelkeznek, mint mi. Az amerikai Brookhaveni Egyetem, a New York-i Columbia Egyetem, a németországi Bielefeldi Egyetem és a japán Riken intézet közös csapata ilyen, mégsem sikerült nekik két különböző felbontásnál tovább számolniuk."

Az ellentmondás feloldásához a kutató egy újabb párhuzamot hív segítségül. "Egy autó sebességét ki tudom számolni úgy, hogy két pontban megmérem a helyét és az időt, és végzek egy egyszerű osztást. Ha azonban ez az autó közben gyorsult, nem elég pontos a mérésem. A pontosításra egy lehetőség, hogy a kettő pont mellé fölveszünk még egy korábbi és későbbi időpontot is és a több pontból pontosabban tudjuk kiszámolni a sebességet. A másik lehetőség, hogy maradunk a két pontnál, de közelebbi időpontokban mérünk. Ez utóbbi volt a mi trükkünk: nem akartunk olyan sok helyen mérni, mint a többi tudóscsoport."

A számításnál használt kvantumfizikai egyenletek megoldása ugyanis a finomítások függvényében egyre több időt igényel, ráadásul hatványozottan. Ha például a kutatók megduplázzák egy rácsállandó finomságát, 8192-szeresére növelik a számoláshoz szükséges gépidőt. Éppen ezért az ELTE fizikusai több helyen egyszerűsítettek, így juthattak sokkal tovább, mint a jóval nagyobb gépparkkal rendelkező brookhaveni csoport. Kaptak is tőlük komolyabb támadásokat, de ennek ellenére a tudományos világ rögtön elfogadta a magyar felfedezést, a cikk elé pedig nem kisebb ember írt méltató bevezetőt, mint Frank Wilczek.

Nobelt is érhet

Wilczek két kollégájával együtt 2004-ben kapta meg a fizikai Nobel-díjat. Azzal érdemelte ki a legrangosabb tudományos elismerést, hogy felfedezte és leírta a cikk elején említett furcsa kölcsönhatást a kvarkok között. Amikor azt firtatom az ELTE kutatóinál, hogy nekik nem fordult-e meg a fejükben, hogy az ő eredményükben is benne lehet egy Nobel-díj, csak annyit mondanak: "nem lehet kizárni", és kerülik a tekintetemet.

Gyorsan témát váltok, és megkérdezem, mi lehet a felfedezés gyakorlati haszna - nagyobbat nem is hibázhatnék egy elméleti tanszéken. Fodor professzor előveszi azt a modorát, amit elképzelésem szerint a vizsgán megbukott diákoknak tartogat, és visszakérdez, mi volt a gyakorlati haszna annak, amikor Maxwell az elektromossággal játszadozott. "Látja, mégis abból született az a négy egyenlet, amin mai civilizációnk jelentős része alapul." - tesz helyre a kutató.

"Hosszú távon nem látjuk, mi a haszna. Rövid távon nyilvánvalóan az, hogy megismerjük az univerzum történéseit, és ne feledkezzünk el a kutatáshoz kapcsolódó egyéb felfedezésekről sem. A részecskefizika rengeteg mindent adott a világnak a mikrohullámú sütőtől a különböző számítógépes eljárásokig. Sőt, az internet is egy kvantumfizikai kutatóintézetben született. Nélkülünk az Önök újsága nem is létezhetne." - adja meg Fodor a kegyelemdöfést.

Zavartan megigazítom a szemüvegemet alkotó kvarkokat, és próbálok megsemmisülni, de elemi részecskéim nem akarnak szabad állapotba kerülni. Hiába, régen volt már az a crossover. Ha már összemenni nem tudok, tágulok, legalábbis a tanszékről. Az ELTE északi tömbjénél egy üvegfal mögött megpillantom az első magyar részecskegyorsítót, és elmormolok egy halk imát a netes pornóképekért. Otthon leveszem a polcról a Galaxis útikalauzt. Ideje újraolvasni.

Köszönjük, hogy olvasol minket!

Ha fontos számodra a független sajtó fennmaradása, támogasd az Indexet!