Évtizedes fizikai alapvetést írtak felül amerikai és magyar kutatók az anyag legalapvetőbb építőkockáinak vizsgálatával.
A Brookhaveni Nemzeti Laboratórium STAR detektorának mérései alapján a kvarkok helyett egy gluoncsomópont hordozza a barionszámot. A felfedezés új fényt vet arra, miként maradt fenn a stabil anyag az univerzumban.
A modern fizika egyik legrégebbi tétele a barionszám-megmaradás törvénye. Az atommagot felépítő protonok és neutronok – közös néven barionok – stabilitása ezen a belső kvantumszámon múlik. Bármilyen nagyenergiájú részecskeütközés történik a természetben vagy a laboratóriumokban, az újonnan keletkező barionok száma mindig megegyezik a megsemmisülő barionok számával. Amennyiben egy új barion jön létre, vele együtt egy antibarionnak is születnie kell. Ez a szigorúan őrzött egyensúly akadályozza meg, hogy a világunkat alkotó protonok csak úgy spontán elbomoljanak, elpusztítva ezzel a látható világegyetemet.
Az 1960-as évek óta elfogadott feltételezés szerint ezt a tulajdonságot a barionokat alkotó elemi részecskék hordozzák. A kvarkmodell alapján minden proton és neutron három kvarkból áll, és mindegyik kvarkhoz egyharmadnyi barionszám tartozik. Amikor a három kvark összeáll egyetlen részecskévé, a barionszámuk összeadódik, kiadva a pontosan egyes értéket. Ezt a képletet évtizedeken át megkérdőjelezhetetlen igazságként tanították az egyetemeken.
A Science tudományos folyóiratban megjelent új kísérleti adatok alapján azonban ez a klasszikus modell kiegészítésre szorul. A mérési adatok megmutatták, hogy a barionszám képes elválni a kvarkoktól, ami elképzelhetetlen lenne, ha a kvarkok egyéni tulajdonságáról lenne szó.
Az Y alakú gluonhálózat átrendezi a részecskefizikai elképzeléseket
A kvarkokat az erős kölcsönhatást közvetítő gluonok fűzik szoros egységbe. A teoretikus fizikusok már az 1970-es évek közepén felvetették azt a hipotézist, hogy a gluonok nem csupán páronként kötnek össze két-két kvarkot. A számítások szerint a proton belsejében a gluonmezők egy Y alakú szerkezetben futnak össze. Ezt a hármas elágazású központi csomópontot nevezi a szaknyelv barioncsomópontnak vagy gluoncsomópontnak.
Amikor két nagysebességű atommag vagy proton egymásnak ütközik, a bennük lévő kvarkok és gluonok hirtelen kiszabadulnak. A kísérletekben a kutatók azt vették észre, hogy az ütközés pillanatában a száguldó kvarkok nagy energiával haladnak tovább a repülési irányban. Ezzel szemben a semleges gluonokból álló Y alakú csomópont könnyebben lefékeződik, és visszamarad a központi ütközési zónában.
A lefékeződött barioncsomópont ezután a vákuumból új kvark-antikvark párokat kelt szét maga körül, és az újonnan felvett kvarkokkal egy teljesen friss bariont hoz létre. A folyamat során a barionszám nem a továbbszáguldó eredeti kvarkokkal tart, hanem a hátramaradt gluoncsomóponthoz rögzül. Ez a kísérleti megfigyelés világosan igazolja, hogy a barionszámot a gluonok topológiai csomópontja hordozza.
Váratlan ütközési mintázatok cáfolják a hagyományos modellt
A Brookhaveni Nemzeti Laboratórium Relatív Nehézion-ütköztetőjénél (RHIC) működő STAR detektor a világ egyik legösszetettebb méréssorozatát hajtotta végre a kérdés tisztázására. A fizikusok aranyatommagok, izobár magok, valamint nagyenergiájú foton-atommag ütközések reakcióit vizsgálták mélyrehatóan. A részecskedetektorok segítségével pontosan nyomon követték a keletkező protonok és antiprotonok repülési irányát és impulzusát.
Amennyiben a barionszámot kizárólag a kvarkok szállítanák, a barionszám térbeli terjedésének pontosan követnie kellene az elektromos töltés mozgását. A kvarkok ugyanis mindkét tulajdonságot egyszerre birtokolják a hagyományos elméletben. A kísérleti adatok azonban egyértelmű eltérést mutattak a két érték között. A barionszám jóval nagyobb mértékben lassult le és maradt a középső ütközési tartományban, mint a protonok elektromos töltése.
A mérések során megfigyelt másik jelenség a protonok meglepően nagyfokú oldalirányú szóródása volt. A megszokott kvarkmodellekre épülő számítógépes szimulációk egyetlen esete sem tudta leírni ezt a fizikai viselkedést. A teoretikus modellek csak akkor adtak a kísérleti adatokkal egyező eredményt, amikor a számításokba beépítették a kvarkoktól függetlenül elmozdulni képes barioncsomópontokat.
Az ELTE kutatói is hozzájárultak a nemzetközi eredményhez
A nagyszabású nemzetközi kutatásban a magyar tudományos közösség is kiemelkedő szerepet játszott. Az Eötvös Loránd Tudományegyetem Atomfizikai Tanszékének kutatócsoportja – Csanád Máté egyetemi tanár vezetésével – hosszú évek óta aktívan közreműködik a STAR kísérlet adatainak feldolgozásában és értelmezésében. A magyar fizikusok a kvark-gluon plazma hidrodinamikai modellezésében és a részecskekorrelációk elemzésében nyújtottak elengedhetetlen segítséget.
A nehézion-ütköztetőkben létrehozott, több billió fokos kvark-gluon plazma az Ősrobbanás utáni első microsecundumok állapotát szimulálja a Földön. Az anyagnak ebben az extrém fázisában a kvarkok és gluonok még nem záródnak protonokba és neutronokba. A barionszám megmaradásának és szállításának pontos ismerete kulcsfontosságú annak megértéséhez, miért létezik ma az univerzumban számottevő anyag, miközben az antianyag szinte teljesen eltűnt.
A felfedezés választ ad arra a kérdésre is, miért mutatnak a protonok elképesztő stabilitást a természetben. A protonok nem bomlanak el könnyen, mert a barionszámukat védő struktúra a gluonmező topológiájában gyökerezik, amit rendkívül nehéz felbontani. A kutatók a jövőben az épülő új generációs részecskegyorsítókban vizsgálják majd tovább a gluoncsomópont pontos szerkezetét és dinamikáját.
