Patkós András
ELTE Atomfizikai Tanszéke
Mûvelõdési és Közoktatási
Minisztérium
"A fizika mindaz, amit a magukat fizikusoknak nevezõ kutatók vizsgálódásuk tárgyának választanak" szokták ellenfélkeresõ hetykeséggel idézni az elhalványult személyazonosságú szerzõt. A Te egész eddigi és lankadatlanul romantikus hevülettel továbbépített életmûved ennek az állításnak minden sikerét és néhány, a fizikusok erejét túlbecsülõ illúzióját is példázza.
A magam válasza erre a kihívásra egyszerre nyárspolgárian fantáziátlan és önironikus. Magunkat elméleti fizikusoknak nevezõ barátaimmal nemcsak a "Természet megértése" elnevezésû gondolati építmény tetszõleges emeletének nagyvonalú vázlatát illik lobogtatnunk, de teherpróbát is elbíró "oszlopokat", azaz jól megértett, számításokra, kísérletek tervezésére használható és fõleg tiszta fogalmakat is kellene nyújtanunk a mindent egységbe foglaló építkezéshez. Ez pedig távolról sincs így, még a szubnukleáris világ eleminek gondolt struktúráinak fizikájában sem.
Köszöntésedre egy példáját választottam a gondolati tisztasághoz utat keresõ sziszifuszi szépségû küszködésnek, ami sokunknak megunhatatlan és elhagyhatatlan szerelmévé tette és teszi a kvantumtérelméletet.
Egy megfejthetetlen bonyolultságú elemi objektummal kezdem, az elektronnal. A kvantumelektrodinamika az elektron és az elektromágneses mezõ lokális, azaz pontszerû elemi kölcsönhatási aktusaira, egy-egy mezõ-kvantum elnyelésének, illetve kisugárzásának szüntelen ismétlõdésére egyszerûsíti a stabil anyag létezésének dinamikáját. (A "mezõ" végtelen nyugalmat sugalló, hosszúhullámú szélfuvallattól hajladozó fûszálakat láttató magyarítása, szinte hihetetlen, de a Te nyughatatlan fantáziád találmánya!) Ám az elektront állandósultan körüllengi Coulomb-tere és a téridõben ez az egységes egész létezik. Nyugalmi energiájába, azaz az elektron tömegébe elektromágneses terének a végtelenbe kiterjedõ energia sûrûsége leválaszthatatlanul belemérõdik. Az elektromos sajátmezejétõl elválasztott elektron-fogalom gyakorlatias számítási eszközéért a fizika keményen megfizet: a "csupasz" elektron tömege azon mûvi fogalmak egyike, amelyek minden sikere ellenére a kvantumelektrodinamikát távol tartják a természettudománnyal foglalkozók derékhadától, valljuk be, egészen kiváló fizikusoktól is.
Dirac megpróbálkozott a nemlokális, ám reális elektron fogalmának matematikai megfogalmazásával. Komplikált elektromágneses mezõkombinációval "öltöztette" fel a pontszerû elektront, ám ennek az objektumnak éppen nemlokalitása miatt - számolásra alkalmatlanul bonyolulttá változott elméletével Dirac követõi mindmáig nem bírtak.
A kvantumtérelméletek téridõ-rácson történt megfogalmazása és a számítógép szintjéig letisztult megoldási lépéssorozata elvben megszabadult a fent vázolt paradoxontól, azaz hogy a tiszta fogalommal nem lehet számolni, a mûvi objektumokra kidolgozott számolási recept pedig mûvi lépéseivel lélegzetelállító pontosságú jóslatai ellenére elbizonytalanítja a megértésre vágyó laikust és a szakembert egyaránt.
A számítógépes "természetutánzás" (szimuláció) módszerével ugyanis megkérdezhetõ és megválaszolható a kérdés: mekkora a valószínûsége a Dirac által konstruált kiterjedt elektron + elektromágneses mezõ komplexum átjutásának a téridõ egy kezdeti tartományából, valamely másik, tõle jól elváló tartományba. Miután a foton tömegtelensége miatt a valószerû elektron-mezõ végtelen kiterjedésû, a jól szétválasztott relatív helyzet megvalósítása alapvetõ gond. Ezért a szimulációval elvben meghatározható tömeg vizsgálatával eddig nem is próbálkoztak. Vegyünk mi is egy egyszerûbbnek ígérkezõ jelenséget, ahol a vizsgálandó objektum természetes módon véges térfogatú.
Véges hõmérsékletû plazmában az elektromosan töltött részecskék elektromos tere árnyékolódik, másszóval véges hatótávolságú lesz. Az erõsen kölcsönható részecskék, a kvarkok és gluonok esetén valószínûleg a (szín)mágneses térrel is ugyanez történik, tehát egy elemi objektum szín-terével együttértve is véges tartományt elfoglaló mezõ-konfigurációként jelenik meg. Ezután Dirac konstrukcióját kellene csak megismételni és a tömeg kiolvasására alkalmas numerikus szimulációt elvégezni.
Sajnos, Dirac elektrodinamikai eljárásának a kvantumkromodinamikában nem ismert a megfelelõje. Csak több gluonból álló színsemleges részeket leíró objektumok alkothatók meg, amelyek nulla hõmérsékletû szimulációkkal tanulmányozott spektroszkópiája a gyakran emlegetett gluon-labda (glueball) spektrumot adja. Egy kritikus hõmérséklet felett a gluonok és kvarkok szabadon terjedõ részecskékké válnak. A kvark-gluon plazma létére elsõként tanítványod, Kuti Gyula és munkacsoportja mutatott számszerûen is meggyõzõ érveket.
Most azt a kérdést tesszük fel: hogyan lehetne a szabad (bár árnyékolt) gluon vagy kvark jelenlétét minél közvetlenebbül kimutatni? A gluon-labdák magas hõmérsékleten vizsgált spektrumában hiába keresték eddig a több független gluonra szétesett kötött állapotból visszamaradt könnyû alkotórészeket.
Végsõ tanácstalanságunkban a kvantumkromodinamika mértékválasztási szabadságát igyekezhetünk kihasználni. Az elektrodinamikai vektorpotenciálhoz hasonlóan a gluonmezõn is transzformációk végezhetõk, amik változatlanul hagyják az elmélet fizikai jóslatait. E transzformáció alkalmasnak remélt választásával megkísérelhetjük egy lokális (pontszerû) térmennyiségbe átvinni az ismeretlen alakú, de feltétlenül kiterjedt fizikai szabad gluont. Az így lokálissá transzformált kromomágneses gluonrezgésekre végeztünk szimulációkat 1995 második félévében német munkatársaimmal, Frithjof Karsch-sal, Thomas Neuhaus-szal és diákjaikkal. Meghökkenésünkre, nagyon meggyõzõ jelet találtunk a könnyû árnyékolt gluon létezésére. Ezt a jelet minden erõfeszítés ellenére sem tudták mindeddig reprodukálni a mértékfüggetlen szimulációs eljárással dolgozók. Ugyanakkor, egyszerû analitikus számításokkal heidelbergi kutatók rámutattak, hogy a mértékfüggetlen szimulációk eredményét jól lehet érteni, ha az azokban megfigyelt magas hõmérsékletû mezõkonfigurációkat az általunk látott, árnyékolt gluonok kvantummechanikai kötött állapotaiként értelmezik. Úgy tûnik, megtaláltuk a magas hõmérsékletû kvark és gluon-"vegyületek" konsztituenseit.
Az árnyékolt gluon elméletileg tiszta fogalmáig még sok tisztázandó kérdéssel kell szembesülnünk. A fizikus akkor adja fel bizalmatlanságát, ha a koncepciót egyre több jelenség értelmezésében kipróbálva, a koncepciót alkotó fogalmak számszerû jellemzõi állandósult értékkel minden esetben pontos leírását adják a numerikus kísérletek eredményeinek (egyszer majd a valódi kísérletek interpretációjában is használhatónak bizonyulnak).
Elsõ független alkalmazásként a gluon-gázt magas hõmérsékleten alkotó termodinamikai szabadsági fokok összevetését kíséreltük meg az általunk javasolt konsztituens gluon képpel. 1996-ban nagypontosságú szimulációkat végeztünk F. Karsch csoportjával, aminek eredményeibõl kiolvastuk a kromomágneses gluonrezgések járulékát a rendszer termodinamikai szabad energiájához. A szimuláció eredményeinek értékelésekor egyaránt megpróbálkoztunk a magas hõmérsékletû glue-ball spektroszkópiában látott gerjesztések, illetve az árnyékolt elemi gluonok ideális gáza segítségével történõ interpretációval. A összetett gluon állapotok gázát egyértelmûen sikerült kizárni, míg a konsztituens gluon-gázzal számszerûen is jóminõségû leírás adódott.
Tehát a legegyszerûbb termodinamikai tesztet jól viselte az új fogalmi egység, de ez az ellenõrzésnek csak kezdete. W. Buchmüller és O. Philipsen német fizikusok tavaly év végén javasoltak olyan mértékfüggetlen mennyiségeket tartalmazó numerikus szimulációkat, amelyekben a konsztituens gluonnak fel kell bukkannia. Petreczky Péter doktorandusszal és Frithjof Karsch-sal az ideális tömeges gluon gáz szabad energiájához számolunk az árnyékolásban egzakt korrekciókat, amivel reményeink szerint a nagyon pontos szimulációs eredményeket igen részletesen és kritikusan lehet összevetni.
Könnyû átlátni, hogy kutatásaink
tanúsága szerint a fogalmak tisztázásának
módja nem más, mint kevésbé tiszta
körülmények közötti alkalmazásuk
tapasztalatainak gondos elemzése. Az igazi fizikai intuícióra
az olyan helyzetek kiválasztása vall, amelyek nem
annyira piszkosak, hogy tanulság levonására
alkalmatlanok lennének. A kvantumtérelméletek
számítógépes szimulációjának
megvan az az elõnyük, hogy általuk viszonylag
olcsón tökéletesíthetjük intuíciónkat.