Ismertető
Az univerzum története
Az univerzum ma körülbelül 13,7 milliárd éves. Csillagrendszerek, galaxisok és galaxishalmazok alkotják. Nem volt ez azonban mindig így. Születése után egymilliárd évvel jöttek létre az első csillagok és galaxisok. Amikor 300 000 éves volt, akkor kezdett az anyag mai állapotára hasonlítani. Még korábbra, az első másodperc töredékeire visszamenve az anyag ma legfejlebb elméletekben jósolt formáival találkozunk. Ezek a mai világunkban ismert kölcsönhatásokról mindennél többet árulnak el.
Mai világunkban az anyag molekulákból, a molekulák elektronokból és atomokból, az atommagok protonokból és neutronokból, azok pedig kvarkokból és gluonokból állnak. Az ezek közötti kölcsöhnatásért az úgynevezett erős kölcsönhatás felelős.
Nagyenergiás nehézionfizika
Nagyenergiás magfizikában a legfontosabb és legérdekesebb kérdéseket relativisztikus nehézion-ütköztetőknél lehet feltenni a Természetnek. Ezeknél fénysebességhez igen közeli sebességű nehézionokat ütköztetünk egymással. Ezekben az ütközésekben az anyag olyan állapota jön létre, amilyen a Világegyetem létrejöttekor, néhány mikromásodperccel a Nagy Bumm után uralkodott. Emiatt a nagyenergiás gyorsítókban zajló nehézion-ütközéseket - a bennük uralkodó óriási energiasűrűség és hőmérséklet miatt - Kis Bummnak is nevezhetjük.
Amikor a felgyorsított nehézionok - melyek a Lorentz-kontrakció hatására két lapos korongnak tűnnek - és összeütköznek, a létrejött hatalmas energiasűrűségnek köszönhetően anyaguk a megszokottól egészen eltérően viselkedik: a protonok és a neutronok megolvadhatnak, utoljára a Világegyetem születésekor jelen lévőhöz hasonló közeget és új részecskék seregét létrehozva. A nagy energiasűrűség miatt a nyomás is igen nagy, ez pedig azonnal szétveti az addig kis térfogatba koncentrált anyagot, amely tágulni és hűlni kezd, majd mire - különféle, jól ismert részecskék formájában - az ütközési pont köré rendezett detektorainkba ér, újra a megszokott formáját mutatja, azaz az ismert részecskék kifagynak a korai, forró és sűrű anyagból. Az észlelt részecskék fizikai jellemzőit (impulzusát, energiáját, tömegét, töltését ...) megmérve, eloszlásukat vizsgálva érdemi információt kaphatunk arról, hogy milyen is volt az az anyag, amely közvetlenül az ütközés után létrejött.
Detektoraink segítségével így különféle kérdéseket tehetünk fel a természetnek. Az egyik legfontosabb kérdés például, hogy kiszabadulhatnak-e nukleon-börtönükből a protonok és neutronok építőkövei, a kvarkok és a gluonok, és ha igen, mekkora energiára van ehhez szükség, illetve hogyan viselkedik ez az anyag. A kísérletek megkezdése előtt sok modellben tételezték azt fel (az aszimptotikus szabadság felfedezésére és rácstérelméleti számolásokra alapozva), hogy ez az anyag kvarkok és gluonok szabad gázaként viselkedik és plazma állapotban van, és elnevezték a keresett anyagot kvark-gluon plazmának. A helyzet azonban ahhoz hasonlatos, amikor a spanyol király megbízásából Kolumbusz elindult, hogy megtalálja a tengeri utat India felé: mi sem lehetünk biztosak benne, hogy azt találjuk, amit keresünk.
A kvark-gluon plazma keresésének története 20 évvel ezelőtt, a berkeley-i Bevalacnál kezdődőtt, ahol nehézionok ütközésének reakciótermékeit vizsgálták. Az itteni 1 GeV-es nukleononkénti tömegközépponti energiát a későbbiekben 5 GeV-re növelték (BNL AGS), majd 17 GeV-re (CERN SPS). Ezen erőfeszítések csúcspontjaként jött létre a Brookhaveni Nemzeti Laboratórium (BNL) RHIC létesítménye, ahol immár a 200 GeV-es (nukleononkénti, tömegközéppontal együttmozgó rendszerben mért) energiát célozták meg.
A RHIC
A RHIC-nél tehát az anyag nagy nyomások és hőmérsékletek hatása alatt tanúsított viselkedését vizsgáljuk. A létrejövő részecskék sokfélesége és széles energiatartományban való előfordulása miatt detektorok egész sorára van szükség, hogy megfelelő képet kapjunk az ütközés során végbemenő folyamatokról. A RHIC-nél ütköztetett részek köre kiterjed polarizált protonokra, deutérium, arany, réz, és a jövőben szilícium atommagokra. A nukleononkénti tömegközépponti energia is változtatható 20 GeV-től 200 GeV-ig, protonok esetében 500 GeV-ig.
A RHIC gyorsítógyűrűjében az egymással szemben keringő nehézionok pályája hat ponton keresztezi egymást. Négy kereszteződésben telepítettek kísérletet, más és más speciális adottságokkal, hogy a kérdések minél szélesebb körére kaphassunk választ. Ezek a kísérletek a következők.
- A BRAMHS és a PHOBOS kisebb kísérletek voltak, amelyek a keletkező tűzgömb speciális tulajdonságait vizsgálták, a keletkező anyag speciális szignatúráit keresték ritka eseményekben és előre kiválasztott kinematikai tartományban.
- A PHENIX változatos detektorokkal felszerelt kísérlet volt. Azonosítani és vizsgálni tudta mind a reakció korai szakaszában keletkező és a sűrű anyagon áthatoló leptonokat és fotonokat, amelyek az időfejlődés elejéről hoznak hírt, mind a kifagyáskor keletkező hadronokat. A kísérletet 2016-ban szétszedték, hogy az új sPHENIX kísérletnek adjon helyet, amely várhatóan 2023-tól üzemel majd. A PHENIX rengeteg felvett adatának feldolgozása azóta is zajlik.
- A STAR az egyetlen jelenleg is üzemelő RHIC kísérlet, a kifagyáskor keletkező hadronok lehető legnagyobb számának azonosítását és tulajdonságainak pontos mérését célozza meg, változatos ütközési energiákon.
Fontos látni, hogy a STAR kísérlet 1500-nál is több publikációt jegyzett, melyből 600-nál több jelent meg szakmai folyóiratokban, ezek közül 80-nál több a szakma vezető folyóiratában, a Physical Review Lettersben, négy pedig a világ vezető tudományos folyóirataiban, a Nature-ben és a Science-ben. A STAR publikációira 30.000-nél több hivatkozás érkezett. A tudománymetriai statisztikák megtekinthetőek az INSPIRE adatbázisában. Hasonló nagyságrendben volt eredményes a BRAMHS, a PHOBOS és a PHENIX együttműködés is. A gyorsító működésének első éveinek eredményei alapján 2005-ben a négy kísérleti csoport közös bejelentést tett, amely négy cikken alapult (PHENIX, STAR, BRAHMS, PHOBOS), és ezekben először számoltak be sokéves adatgyűjtésük egységes értelmezéséről. A RHIC nehézion-ütközéseiben olyan tűzgömb keletkezik, amely a korai Világegyetem egyfajta mása, az Ősrobbanás utáni néhány mikromásodpercből. Noha ez a tűzgömb (amely 2-5 Terakelvin hőmérsékletű, azaz az ember által valaha előállított legforróbb anyag) az atommagok már ismert elemi építőköveiből: kvarkokból és gluonokból áll, azonban tulajdonságai eltérnek a várakozástól, mivel nem gyengén kölcsönható kvarkok és gluonok gázaként, hanem sokkal inkább egymással erősen kölcsönható kvarkok és gluonok alkotta szinte tökéletes folyadékként viselkedik, és, mint később kiderült, kinematikai viszkozitása legfeljebb egynegyede a világon korábban ismert legfolyékonyabb anyag, a szuperfolyékony, ultra-hideg 4He kinematikai viszkozitásának. Tehát ez az ember által készített legforróbb és egyben legfolyékonyabb anyag, a legtökéletesebb folyadék. Ezt az eredményt, a tökéletes folyadél felfedezését - mint 2005 vezető fizikai eredményét - emelte ki első helyen az Amerikai Fizikai Intézet (AIP) a 2005-ös esztendő legfontosabb fizikai eseményeinek lajstromából. Olyan eredmény ez, amelyhez magyar akadémiai és egyetemi kutatók lényeges hozzájárulást adtak. A nem várt eredmények a lehetőségek széles tárházát nyitják meg új tudományos felfededezések előtt is, hiszen vizsgálni lehet, hogyan viselkedik az anyag eleddig elérhetetlenül magas hőmérsékleten és sűrűségnél. A jövőbeni vizsgálatok alaposabb és számszerűbb betekintést nyújtanak majd abba, hogyan viselkedik és mennyire tökéletes ez a "szinte tökéletes" folyadék.
A STAR kísérlet
