Üdvözöljük a PHENIX-Magyarország honlapján!

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.

Az univerzum története

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.

Az atommag felépítése

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.

Ütközés előtt Ütközés után

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


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 RHIC


Fontos látni, hogy a RHIC 2007. december 6-áig a PHENIX kollaboráció 368 publikációt jegyzett, melyből 255 jelent meg szakmai folyóiratokban, ezek közül számos a szakma vezető folyóiratában, a Physical Review Lettersben. A PHENIX publikációira eddig az időpontig 6944 hivatkozás érkezett. A tudománymetriai statisztikák megtekinthetőek a SLAC adatbázisában. Hasonló nagyságrendben volt eredményes a BRAMHS, a PHOBOS és a STAR együttműködés is. A gyorsító fejlesztési programjai között megtaláljuk a luminozitás (az idő- és felületegységenként ütköztetett részek száma) növelését (RHIC-II), és eletronok protonokkal való ütköztetését (e-RHIC). Ezek is a működés első éveinek tapasztalatai alapján a tudományos kulcskérdések pontosabb megválaszolását célozzák meg. Az eddigi kísérletek alapján a négy kísérleti csoport közös bejelentést tett, melyben 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 RHIC


Mérföldkövek a PHENIX kutatásaiban

  1. Új jelenség felfedezése: Arany-arany ütközésekben a nagyenergiás részecskenyalábok (angol szakszóval jetek) a várakozások szerint ellentétes irányú párokban keletkeznek. Tehát ha látunk egy ilyen részecskesugarat egy adott irányban, azt várjuk, hogy az ellenkező irányban is jön egy. A várakozásokkal ellentétben ezen párok egyik felét gyakran nem észleltük. Egy lehetséges magyarázat az, hogy az ütközésben keletkezett anyag elnyeli a hosszabb utat megtevő sugarat (hiszen ha a pár nem középen keletkezik, az egyik hosszabb utat tesz meg). Egy másik lehetséges magyarázat az, hogy a nagy lendületű részecskesugarak száma azért csökken, mert a fényhez igen közeli sebességgel mozgó atommagokban megváltozik az ilyen részecskesugarak keletkezési valószínűsége. A helyes magyarázat kiválasztásához tehát további vizsgálatokra volt szükség. Azonban biztosan állítható, hogy ilyen jelenséget, részecskesugarak elnyelődését arany-arany ütközésekben korábban soha nem észleltek a nagyenergiás fizikában.

    Jet quenching

  2. Új anyag felfedezése: Deutérium-arany ütközésekben végeztünk ellenpróbát, ahol az ütköző magok méretéből adódóan, ha tényleg az anyag nyeli el a nagyenergiás részecskesugarakat, a fenti elnyomás nem tapasztalható. Mivel a kis deuteron és a nagy arany nehézion ütközése során a nagy energiájú részecskesugarak elnyomását nem tapasztaltuk, ezért az ellenpróba eredményeként eldőlt, hogy az új jelenség helyes magyarázata a részecskesugarak elnyelődése az Au+Au ütközésekben keletkezett új anyagon.
  3. A tökéletes folyadék: Ahogy a kísérletek nyomán egyre több adatot ismertünk meg, részletesebb vizsgálatokat végezhettünk. Az derült ki, hogy az adatokat leíró modellek tökéletes (azaz viszkozitásmentes) folyadékképpel dolgoznak, amelyből azt a következtetést vontuk le, hogy a létrejött anyag folyadék, tökéletes folyadék. Ezt alátámasztották az úgynevezett elliptikus folyás (szakszóval elliptic flow) mérések is.

    Elliptikus folyás

  4. A szabadsági fokok kvarkok: A fent említett elliptikus folyás skálázási viselkedéséből már azt is tudhatjuk, hogy a fenti folyadék szabadsági fokai a kvarkok. Azt látjuk, hogy a részecskék az őket alkotó kvarkok számának megfelelően rendezhető elliptikus folyással rendelkeznek. Ez arra utal, hogy a kollektív mozgás a kvarkok szintjén jön létre, azaz ők hordozzák a meghatározó szabadsági fokokat.

    [Kvarkszám skálázás]

  5. A viszkozitás mérése: Megállapították továbbá, hogy ez az anyag egy nagyságrenddel kevésbé viszkózus, mint az eddig ember által előállított legfolyékonyabb anyag, a szuperfolyékony hélium. Azonban míg a szuperfolyékony hélium az egyik ember által előállított leghidegebb anyag, 4 kelvinnél kisebb hőmérséklettel, a nehézion-ütközésekben létrehozott új anyag az ember által létrehozott legmagasabb hőmérékletű anyag, melynek hőmérséklete legalább 2 terakelvin. Tehát a RHIC Au+Au ütközéseiben létrejövő új anyag a jelenleg ismert legforróbb, és egyben a legszuperfolyékonyabb anyag is.

    Viszkozitás eta/s mérések

  6. A kezdeti hőmérséklet meghatározása: Az erősen kölcsönható anyagon szinte akadálytalanul áthatoló, a kölcsönhatásban részt nem vevő fotonok árulkodnak az anyag időbeli fejlődéséről, ezáltal kezdeti hőmérsékletéről. A fotonok észlelése könnyű, azonban meg kell különböztetnük a direkt fotonokat (melyek egyfajta hőmérsékleti sugárzás során keletkeznek) és a különböző hadronok bomlása során létrejövő fotonokat. Ezt azonban sikerült elvégezni a PHENIX együttműködésben. A direkt fotonok spektrumát vizsgálva arra jutunk, hogy a hűlés során az átlagos hőmérséklet legalább 2,5 terakelvin, míg a kezdeti hőmérséklet 4,5-7 terakelvin is lehetett. Ez messze a hadronok megolvasztásához szükséges (elméletileg megbecsült) hőmérséklet felett van.

    Kezdeti hőmérséklet

A PHENIX számokban

A PHENIX intézményei

Perspektíva

A RHIC gyorsító változtathatóságának köszönhetően a jelenségeket igen különböző ütközési rendszerekben vizsgálhatjuk

[RHIC luminozitás] [Felvett adatok]

Detektor fejlesztések

A PHENIX detektorai

Gyorsító fejlesztési tervek

[RHIC-II]

A RHIC-II lehetőve teszi, hogy az eddig csak távolról megpillantott új jelenségeket részletesebb analízisnek vessük alá. 2004 novemberében kezdték meg tevékenységüket a RHIC-II tudományos munkacsoportok. Munkájuk eredményeképpen összegző írások jelentek meg, amelyek az alapját képezik a majdan induló RHIC-II fizikájának.

[eRHIC]

Az eRHIC terve arra irányul, hogy a RHIC-et felhasználva építsünk egy nagy itnezitású elektron-ion ütközetőt, amelyben az elektronokat polarizálni is lehet majd. Ezzel az erősen kölcsönható anyag fázistérképének új tartományait érjk majd el, és tanulmányozhatjuk az atommag hiperfinom szerkezetét.


PHENIX-Magyarország