"FORDÍTOTT ALKIMIA"

Gyulassy Miklós
Collegium Budapest
Columbia University, New York

Ami miatt én, mint 1956-os menekült, most kültagként itt lehetek családommal és barátaimmal együtt, azt legpontosabban Glatz Ferenc, Akadémiánk elnöke egyik utolsó cikkében az alábbi mondattal fogalmazta meg: "Európában 1990-ben zárult le a második világháború".

A határok megnyitása és a rendszerváltozás tette lehetővé, hogy az Akadémiának külső tagjai legyenek, most 13 külső tagja van a Fizikai Osztálynak. A külső kapcsolatok továbbfejlesztése kölcsönösen fontos, mert nagyon kicsi a világ és szerencsére a természettudomány nem ismer politikai határokat. A modern Big Science kutatást csak nemzetközi együttműködéssel lehet továbbfejleszteni. Jó példa erre a genfi CERN nemzetközi kutatóintézet és a legújabb amerikai atomgyorsító, a brookhaveni RHIC (1. ábra), ahol körülbelül 1000 külföldi kutató dolgozik. Az utóbbi 20 évben többször jöttem Magyarországra rövid, egyhetes konferenciákra. Csak most volt lehetőségem hat hónapos tartózkodásra, amelyet a Budapest Collegium támogatása tett lehetővé. Ezért szeretnék köszönetet mondani a Collegium Budapestnek, valamint a KFKI-ban és az ELTE-n dolgozó kollégáimnak, akik segítettek abban, hogy itt lehessek. Legfőképp szeretném megköszönni Zimányi Józsefnek, Németh Juditnak, és Lovas Istvánnak, akikkel több mint 20 éve állok tudományos kapcsolatban.

Mielőtt a fizikáról kezdenék beszélni, szeretnék néhány gondolatot megosztani önökkel, ami tanulsággal szolgált nekem, mint leendő akadémiai tagnak. A világ első, Platón által alapított Akadémiája 900 éven át kereste a magyarázatot a világ nagy kérdéseire az élet minden területén. A platóni dialektika segítségével és a kényelmes athéni munkakörülmények között, fürdőköpenyekben gondolkozva, kiváló elméleti munkák születtek, amelyekből nagyon sokat publikáltak. Mégsem sikerült a természet titkait megfejteniök, mert ehhez valami nagyon fontos dolog hiányzott. Ez az elméleti irányzat Galileiig folytatódott. Galilei munkásságával azonban bebizonyosodott, hogy egy elmélet csak addig elfogadható, ameddig a kísérlet meg nem cáfolja azt! Galilei tagja volt az akkori akadémiának. Mindaddig szorgalmasan tanította a klasszikus görög geocentrikus asztronómiát, amíg Lippershey-ben a távcső fölfedezése hirtelen egy új, addig nemlétező kísérleti eszközt nem adott a kezébe. Azzal tárgyilagosan és pontosan vizsgálhatta 30-szoros nagyításban a Vénuszt, Jupitert és a Napot. Eme vizsgálatok alapján bebizonyította, hogy a Föld nem az Univerzum közepe, és hogy mennyire tévedhetnek az akadémikusok kétezer éven keresztül, ha nem támasztják alá feltevéseiket kísérlettel. Ekkor kezdődött el igazán a modern természettudomány, amiben elmélet és kísérlet szorosan együttműködik, és a kísérlet a legbriliánsabb elméletet is megcáfolhatja.

Az alkímia (2. ábra) valószínűleg a legrégibb kísérleti tudomány - persze a konyhán kívül. Az volt a célja, hogy értéktelen anyagokból drága aranyat készítsen. Több ezer éves kísérletezés után már tudjuk, hogy miért nem jutottak eredményre. Egyszerűen azért nem, mert a tűz energiája túl alacsony volt az atommagok elektrosztatikus taszításának legyőzésére. A 20. század közepéig kellett várni, míg az első nehézion-gyorsító berendezés elkészült, amellyel a magokat sikerült átlökni a Coulomb-gáton, és végre sikerült aranyat készíteni (3. ábra) - igaz olyan drágán, hogy gazdaságilag nem érdemes ilymódon aranyat csinálni.

Az 1956-os forradalom alatt a kaliforniai Berkeley egyetemen a HILAC atommag-gyorsítóval nemcsak aranyat készítettek, hanem sokkal nehezebb és még ritkább radioaktív elemeket is. Mind a mai napig az itt kifejlesztett kísérleti módszerrel hozzák létre a rövid élettartamú, egzotikus atommagokat. A HILAC mellett volt egy második protongyorsító berendezés is, a Bevatron. Ez 4 GeV energiára gyorsította fel a protonnyalábot. A Bevatronban sok új, ritkaság-kvantumszámmal jellemzett részecskét, valamint antiprotonokat és még körülbelül 100 más hadronrezonanciát fedeztek föl.

1. ábra. Fordított alkímia a Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), Brookhaven National Laboratoryban, USA-ban. A négy gyorsító összekapcsolásával 100 GeV/nukleon fajlagos energiával négy helyen ütköznek egymással szemben az aranymagok.

2. ábra. Középkori alkímia. Sajnos a tűz energiája messze nem volt elegendő sem magfúzióra, sem maghasadásra.

3. ábra. A modern alkímia - megfelelően nagy energiájú gyorsítókat használva - nemcsak az arany (Z = 79), hanem minden más, magasabb rendszámú elem előállítására is alkalmas. Fordított alkímia jött létre 1974-ben, amikor a Lawrence Berkeley Laboratórium BEVALAC gyorsítóján arany atommagokat 1 GeV/nukleon fajlagos energiára sikerült felgyorsítani. Az Au+Au reakcióval új, magas kölcsönhatású elemeket próbáltak létrehozni.

1970-ben, mikor a Bevatron elavult, és amikor én voltam Berkeley-ben egyetemista, Al Ghiorso azt javasolta, hogy kapcsolják össze a két régi gyorsítót, mert így egy új kísérleti berendezés jöhet létre. Így született meg a BEVALAC és vele a nagy energiás nehézion-fizika. A BEVALAC-ban a legnehezebb atommagokat is sikerült 1 GeV/nukleon energiára felgyorsítani. Ezt az új kutatási irányt nevezem én fordított alkímiának mert a kutatás fordított irányt vett: a fő célkitűzése nem az aranykészítés, hanem az aranymagok össze-ütköztetésével új, nagyon erős kölcsönhatású anyagok létrehozása lett. Abban az időben a BEVALAC nyújtotta új kísérleti lehetőség sok érdekes elméleti spekuláció megszületéséhez vezetett.

1974-ben fejeztem be a doktorátusomat a Berkeley Egyetemen Wichmann és Swiatecki professzorok vezetése mellett kvantumelektrodinamika témakörében. Ők ismertettek meg a nehézion-fizika akkor legújabb, legizgalmasabb elméleti feltevéseivel. Nagyon megfogott például T.D. Leenek az az ötlete, hogy ezekkel a magütközésekkel a kvantumvákuumban alvó skalártereket gerjesszük föl. Emellett a frankfurti Greiner professzor ötlete is megfogta a fantáziámat, nevezetesen hogy a magütközések segítségével többszörösére növelhetnénk az atommaganyag sűrűségét. Az erős kölcsönhatás új elmélete, a kvantumszíndinamika segítségével jósolta meg Collins és Perry, hogy nagy hőmérséklet és/vagy nagy nyomás alatt a maganyag átalakul szabad kvarkokat és gluonokat tartalmazó plazmaállapotba. Erről a fázisátalakulásról szeretnék a későbbiekben részletesen beszélni. Egy évvel később Greiner professzorral elkezdtem foglalkozni a sűrű piongáz kondenzációjával és a pion-optika elméletével. Ekkoriban Magyarországon is foglalkoztak ezzel a témakörrel. Zimányi József és kollégái egy új hadronkémiát dolgoztak ki. Lovas István és Németh Judit továbbfejlesztették a pion-kondenzáció elméletét. Ezeken a témákon keresztül, mintegy 20 évvel ezelőtt kezdődött el kapcsolatom a magyarországi magfizikusokkal.

Azokról a kérdésekről szeretnék beszélni, amelyek számomra jelenleg a legérdekesebbek és a következő tíz év alatt a nehézion ütközésekben kísérletileg is vizsgálhatókká válnak. Ezek a kvantumszíndinamikával leírható soktest-rendszerek halmazállapotai, ezen rendszerek termodinamikai fázisszerkezete, a kvarkbezárás és a királis szimmetria sérülésének dinamikája, a vákuumkondenzációs terek átalakítása. Ezek mind nyitott kutatási irányok, amelyekről még keveset tudunk. Új akadémiai külső tagként szeretném hangsúlyozni, hogy ezeken a kutatási területeken nemcsak világszinten versenyképes a Magyar Tudományos Akadémia, hanem fontos vezető szerepet is be tudna tölteni nagyon kis költség ráfordítással. ("Minimum cost for maximum physics payoff", ahogy azt az USA-ban mondjuk.) A hatalmas kísérleti berendezésekre az amerikai és a német kollégák már kifizették a sok-milliárd dollárt, most már csak észre, ötletekre és sok-sok munkára van szükség a nemzetközi siker eléréséhez; és ebben Magyarország is részt vehet.

A nehézion-fizika, amely a mag- és a részecskefizika határán jött létre, különösen érdekes kutatási lehetőségeket nyújt az RHIC és az épülő LHC berendezések által elérhető energiák területén. Két témáról szeretnék röviden beszélni: először a gluon-záporokról, utána a nagy impulzusú jet-tomográfiáról, amit Lévai Péterrel és más kollégáimmal együtt dolgoztunk ki az elmúlt évek alatt.

Sajnos idő hiányában nem tudok egy érdekes új elméleti javaslatot részletesen bemutatni, amelyet Csörgő Tamással és más kollégákkal együtt dolgoztunk ki. Nevezetesen, hogy hogyan lehetne kísérletileg megvilágosítani a Wigner Jenő által felismert barionszám-megmaradás tör

4. ábra. A kép azt mutatja, hogyan bomlanak fel a 130 GeV/nukleon fajlagos energiával ütköző arany atommagok több ezer részecskére mintegy 4000 pionra és 100 barionra. Lehet, hogy a kép közepén kvark-gluon plazma keletkezett 10^-22 másodpercig egy -10^-14 m széles labdában. Az elolvadt arany lehet, hogy hasonlít a Nagy Bumm anyagára az első 1 milliomod másodpercben.

5. ábra. Az ábra szerint képzeljük el két arany atommag ütközését.

vényének titkát. A mi elméletünk szerint a rejtély titka egy topologikus csomó a gluonok által alkotott húrok csatlakozásánál, amit "barion-junction"-nek, gluon-elágazásnak nevezünk. Ha igazunk van, akkor az arany-atommagok ütközésében akár új, femtométer nagyságú gluon-labdákat is létrehozhatnánk!

A Relativisztikus Nehézion Gyorsító, az RHIC, négy gyorsító felhasználásával az arany-atommagokat két szembeütköző nyalábban 100 GeV/nukleon energiáig gyorsítja föl (1. ábra). Az arany-atommagok két párhuzamos csőben ellentétes irányban repülnek körbe-körbe és hat helyen ütközhetnek. A szembefutó nyalábok kereszteződésében négy helyen építettek ki különböző detektor-rendszereket. Körülbelül ezer kísérleti fizikus méri, gyűjti 2000 nyara óta az új adatokat.

AOA 4. ábra mutatja azt a több ezer részecskét, legfőképp pionokat, amelyek egy ilyen nagyenergiájú (100 GeV = 100 milliárd eV) arany-arany ütközésben keletkeznek. Az eredetileg ütköző arany-atommag felbomlása során, mozgási energiájuk rovására, körülbelül 4000 pion és többék között körülbelül 100 antiproton jön lére, de sok ritka töltésű részecske és antirészecske is megjelenik. A két ütköző arany-atommag 394 nukleonja szanaszét szóródik. A barionszám holléte egy nagyon érdekes kérdést vet föl, ami szorosan kapcsolódik a barionszám megmaradásának titkához.

Az 5. ábra egy tizenöt nagyságrenddel felnagyított kép az ütközés pillanatáról. Az ultrarelativisztikus energia miatt mind a két atommag a nyaláb irányba a Lorentz kontrakcióval század részére összehúzódik. Mivel a transzverzális átmérő nem változik, ezért két lapos, palacsinta-formára összepréselt mag repül majd szembe egymással. Az RHIC-nél az arany-atommag vastagsága csak egy tizede a nyugvó protonénak, LHC-nél pedig körülbelül kétszázszor lesz kisebb. Ilyen nagy energián a kvantumszíndinamika azt jósolja, hogy a Lorentz-féle időtágulás miatt a magok körül a kvantumos gluontér ingadozásai lelassulnak. Így egy atommag-nyaláb ekvivalenssé válik egy Weizsäcker-Williams típusú gluontérrel, amiben nagyon nagy számú virtuális gluon van. Egy relativisztikus atommag azért érdekes, mert az ekvivalens gluonsűrűség az atommag tömegével, azaz a nukleonszámmal együtt növekszik. Így a gluonok sűrűsége egy aranyatommagban körülbelül tízszer akkora lesz, mint egy protonban. Amikor két ilyen gluontér összeütközik, akkor az erős kölcsönhatás kvantumszíndinamikai leírása szerint körülbelül ezerszer annyi gluon szóródik majd szét, mint egy hasonló energiájú proton-proton ütközésben. Erre az elméleti háttérre támaszkodva tíz évvel ezelőtt Xin-nian Wang kollégámmal együtt azt jósoltuk, hogy az RHIC-nél gluon-záporok kialakulása várható. Jóslatunkat a jelenlegi kísérletek be is bizonyították.

Az RHIC előtt elért legmagasabb energiával a genfi CERN-SPS gyorsító rendelkezett, s a 160 GeV/nukleon energiájú ólom-ólom ütközésekben körülbelül 400 töltött pion volt megtalálható egységnyi rapiditásban. Az RHIC-nél még nem érték el a legnagyobb energiát. A múlt évben csak 130 GeV/nukleonig sikerült felgyorsítani az arany-atommagokat. De mivel egymással szemben ütköznek, az ekvivalens laboratóriumi nyalábenergia körülbelül 9000 GeV/nukleon. Négy különböző RHIC kísérlet mérési eredményei épp ráesnek az általunk jósolt görbére. Nagy izgalommal várjuk az eddig még eléretlen, legnagyobb energiájú ütközés adatait, amelyek 2001 nyarán válnak majd ismertté. Lemérve ezt a rapiditás-sűrűséget, a Bjorken-egyenlet segítségével kiszámíthatjuk a gluonok sűrűségének kezdeti, korai értékét. Ezen összefüggés szerint a jelenlegi kísérletekben körülbelül százszor sűrűbb gluon-dominált anyagot sikerült létrehozni, mint amekkora a természetben egy atommag közepén található, és tízszer sűrűbbet, mint amely egy neutroncsillag közepén van.

6. ábra. Az új RHIC gyorsító célja az, hogy átlépje a kvark-gluon szabadság határát.

7. ábra. Nagy impulzusú pionok eloszlása PHENIX kísérlet előzetes, még lehet, hogy változó adataival. A pionhiány mutatja, hogy a gluon jetek nagyon sűrű, magas kölcsönhatású anyagon mentek keresztül.

Ezeknek a kísérleteknek az igazi célja az, hogy megközelíthessük azokat a feltételeket, amelyek a Nagy Bumm első pillanataiban létezhettek (6. ábra). Ekkor a hőmérséklet még túl magas volt ahhoz, hogy hadronok is létezhessenek. A mostani elfogadott kozmológiai Standard Modell azt állítja, hogy a kozmosz tágulása miatt hűl az Univerzum. A mikrohullámú háttérsugárzás megmérése azt mutatja, hogy most már nagyon lehűlt az és a csillagközi tér hőmérséklete csak 3 kelvin. Ha 15 milliárd évvel visszamegyünk oda, amikor az Univerzum még csak pár százezer éves volt, ott olyan alacsony hőmérsékletet találunk, amely lehetővé tette, hogy a meleg hadronlevesből atommagok keletkezhessenek. A korábbi, még melegebb Univerzum állapotát csak gyorsítós kísérletekkel lehet megközelíteni. Az SPS, RHIC és LHC gyorsítókban folytatott kísérleteknek fontos célja az, hogy elérjük a kvark-gluon plazma kialakulásának határát, és meghatározzuk a plazma tulajdonságait, vajon olyan-e, mint amit a mai standard modell jósol. A standard modell szerint nemcsak a magok, hanem minden fajta ismert mezon és barion is elolvad egy kritikus hőmérsékleten. A kritikus hőmérséklet körülbelül 200 millió eV, ami körülbelül ezerszer forróbb, mint a Nap közepe. Ahogy a gyorsítók energiája növekedett, úgy jutottunk egyre közelebb ehhez a plazmahatárhoz, sőt még azon is túl! 2000 februárban a CERN-ben bejelentették, hogy az SPS segítségével az ólom-atommagok ütköztetésében átlépték a bezárás határát. Erről Zimányi József számolt be a múlt évben.

Röviden a legújabb RHIC adatokról beszélek, amelyek szerintem bebizonyították, hogy megjelent a gluon-plazma a CERN-i kísérleteknél 10-szer magasabb energiájú ütközésekben. A gluon-plazma sűrűségét megvizsgálhatjuk a nagyimpulzusú részecskék ütközése segítségével. A 20. században megjósoltuk, hogy egy sűrű gluon-plazma keletkezése esetén a nagyimpulzusú részecskék száma csökkenő értéket mutat. Ez azért történik, mert a sűrű anyag lefékezi a jetet. (Jet = szűk részecske-sugárnyaláb.) Ezt neveztük jetfékezésnek. Lovas István korábban azt javasolta, hogy az elnyomott vektormezonok eloszlásának használatával is meg lehetne mérni a plazma sűrűségét. "Hadron-tomográfiának" nevezte el a módszerét, mert igen hasonlít az ismert röntgen- vagy pozitronemissziós tomográfiához (PET), amivel orvosok az élő betegek szerveit vizsgálják. A "Jet-tomográfia" előnye az lesz, hogy a kvantumszíndinamika pontosan megjósolja a kezdeti magas impulzusú gluoneloszlást. Az ettől való eltérés egyértelműen diagnosztizálni tudja majd az ütközésben keletkezett, a jetek számára akadályt jelentő anyagot.

A 7. ábra az RHIC-ben megmért első adatokat mutatja a nagy impulzusú pionok eloszlásáról. Az RHIC-nél egy magyar-származású fizikus, Dávid Gábor vezeti azt a kísérleti csoportot, amely kísérletileg is felfedezte az általunk megjósolt jet-fékezést. A görbék mutatják a kvantumszíndinamika alapján várt eloszlást, amennyiben a jet-fékezést nem vesszük figyelembe. Az alsó görbe vonatkozik a periférikus ütközésekre, ahol a gluonsűrűség alacsony marad: Az adatok azt mutatják, hogy ebben a helyzetben nincs fékezés, mert túl ritka az anyag. A felső görbe vonatkozik a centrális ütközésre, ahol a sűrűség sokkal nagyobb lesz, és mint látható, a magas impulzusú pionok a fékezés miatt nagyon elnyomódnak.

A gluon-jet fékezésének elmélete több-test ütközésű kvantumszíndinamikai probléma. Mint ez a Feynmann-diagramm is mutatja, egy jet több impulzust kaphat akkor, amikor keresztül megy egy anyagon, többször megváltoztatva a színét. Eközben gluonsugárzást is kibocsát: ez okozza a lefékeződő jet energiaveszteségét. Ezt az elméletet az utóbbi pár év alatt dolgoztuk ki részletesen Lévai Péterrel és Vitev Ivánnal, valamint más kollégákkal.

Hogyan függ a pionspektrum a plazma sűrűségétől? Két effektus verseng egymással: a rugalmas szórásból kapott lökések megnövelik ezt az arányt, a gluonsugárzáshoz kapcsolódó fékezés pedig csökkenti azt. Arra akarom a figyelmet ráirányítani, hogy elméletünket összehasonlítva a kísérleti eredményekkel, a plazma opacitására kapott érték 3-4 közé esik (ez egyben az ütközések átlagos számát is jelenti). Ez az ütközésszám elég ahhoz, hogy ötször-nyolcszor kevesebb magas impulzusú pion jöjjön létre, mintha a jet-fékezés nem játszott volna szerepet. A CERN kísérletekben mindezzel ellentétes eredményt találtak: itt kétszer több nagy impulzusú pion jön létre, mint azt fékezés nélkül várták volna. Ez azért történt, mert a plazma a CERN-energián túl rövid élettartamú és a Cronin-effektus (a rugalmas lökésekből származó spektrum-változás) dominál. Ezen túl még rengeteg más adat is létezik, amelyek más oldalról támasztják alá, hogy az RHIC-nél túlléptük a bezárási határt, és létrejött a gluon-plazma. Tíz év áll rendelkezésünkre, hogy az RHIC-nél részletesen megvizsgálhassuk ezt az ősanyagot.

<>

M. GYULASSY, I. VITEV, X.N. WANG - Phys. Rev. Lett. 86(2001) 2537
M. GYULASSY, P. LÉVAI, I. VITEV - Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 5535); Nucl. Phys. B594 (2001) 371
T. CSÖRGŐ, M. GYULASSY, D. KHARZEEV: Buckyballs of QCD: Gluon junction networks - hep-ph/0102282
X.-N. WANG, M. GYULASSY - Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 3496
X.-N. WANG, M. GYULASSY - Phys. Rev. Lett. 68 (1992) 1480; Phys.Rev. D44 (1991) 3501

__________________________