CSÖRGÕ TAMÁS


Részecskemikroszkópok és pionlézerek


2000. június 13-a, Brookhaven Nemzeti Laboratórium, Upton, Long Island, USA. Sajtótájékoztatón közlik: az Amerikai Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma által üzemeltetett Brookhaven Nemzeti Laboratóriumban a fizikusok megkezdték az arany atommagok frontális ütközéseinek tanulmányozását a relativisztikus nehézion ütköztetõben (angol nevének rövidítése RHIC, kiejtése rik), amely a világ legújabb és legnagyobb összenergiájú gyorsítója a nagyenergiás fizikában. Az elsõ ütközéseket június 12-én észlelték a STAR-kísérlet munkatársai, rövidesen a PHOBOS-, a BRAHMSés a PHENIX-kísérletekben is sor került a reakciók megfigyelésére. Bill Richardson energiaügyi miniszter kijelentette: A tudományos kutatások új területét nyitottuk meg. A világ fizikusai az új berendezés segítségével választ kaphatnak az anyag legalapvetõbb tulajdonságaival, valamint a korai univerzum fejlõdésével kapcsolatos kérdéseikre."
 

Részecskemikroszkópok és -gyorsítók

Mik a részecskék és mik a részecskegyorsítók?

A múlt században a kémia tudományát az atomok fogalmára alapozták. Az atom szó a görög atomoszból(oszthatatlan) származik. Valóban, a kémiai folyamatok jó közelítéssel tekinthetõk az atomok csodálatos játékának, az atomok egymással való keveredésének és különbözõ formákban történõ összekapcsolódásának. A kémiai folyamatokban az atomok csupán az elektronhéjukkal vesznek részt, de a minõségük lényegét meghatározó atommagok szerkezete nem változik meg.
A múlt század végén, 1897-ben J. J. Thompson felfedezte, hogy felhevített katódból feszültségkülönbség hatására negatív töltésû részecskékbõl álló sugárnyaláb jön létre. Ez a megfigyelés volt a modern részecskefizika kezdete, és az atomoknak a még elemibb építõkövekre, részecskékre bontásának elsõ lépése. A Thompson által felfedezett negatív töltésû részecskék az elektronok, az elõállításukra kifejlesztett katódsugárcsõ pedig az elsõ részecskegyorsító. Bizonyára sokan azt hiszik, hogy még nem láttak ilyen eszközöket. Sokunknak fogalma sincs arról, mi a gyakorlati következménye az elektron felfedezésének. A20. század végén mindenki látott már televíziót. Az elsõ részecskegyorsító, a katódsugárcsõ az elektron felfedezése után új gyakorlati alkalmazást nyert, melynek mai neve tévéképcsõ, és a katódsugárcsõ által felgyorsított elemi részecskék, az elektronok rajzolják ki a képernyõre a tévé, a videó vagy a számítógép által vetített képet.
A részecskék az anyag atomoknál és atommagoknál kisebb alkotóelemei, lehetnek összetettek, mint például az atommagokat alkotó protonok és neutronok, és lehetnek (mai tudásunk szerint) további részekre nem bonthatóak, mint például az elektronok. A részecskegyorsítók olyan berendezések, amikkel a részecskék sebességét meg lehet növelni, hogy ezáltal új típusú részecskéket és újfajta anyagokat lehessen elõállítani.
 
 

Mi a nagyenergiás fizika fõ célja? 

A modern nagyenergiás fizika az anyag elemi építõköveinek feltárására, ezen építõkövek tulajdonságainak és kölcsönhatásainak minél pontosabb megismerésére törekszik. Így új ismereteket  hoz létre, amelyek segítségével új eszközöket tudunk készíteni, amelyek korábban ismeretlen lehetõségeket tárnak fel az emberiség számára.
Csak remélni lehet, hogy képesek leszünk arra, hogy új ismereteink mellé a kellõ bölcsességet is ki tudjuk fejleszteni, hogy az új eszközöket sorsunk jobbra fordítására, a betegségek gyógyítására, a korlátaink lebontására használjuk, nem pedig nemtelen célok elérésére, új betegségek és korlátok létrehozására. Ez nemcsak a tudósok, hanem valamennyi ember közös ügye és felelõssége is.
 

A Nagy Bummtól a Kis Bummig

Az anyag elemi építõkövei és ezek kölcsönhatásai meghatározó szerepet játszottak a korai világegyetem fejlõdésének különbözõ szakaszaiban. Például a fényt alkotó elemi részecskék, a fotonok egyben a töltött részecskék közötti kölcsönhatás közvetítéséért is felelõsek. Amikor a világegyetem hõmérséklete még magasabb volt, mint a világegyetemünket alkotó atomok kötési energiája, és a hidrogénatomot alkotó elektronok és protonok szabadon mozoghattak egy elektromágneses plazmaállapotban, ez a halmazállapot a fotonokat folyamatosan elnyelte majd újra kisugározta, ahhoz hasonló módon, ahogyan a fénycsövek világítanak. A világegyetem tágulása miatt a plazma kihûlt, az elektronok és a protonok semleges atomokat alkotva összekapcsolódtak, és a világegyetem térfogata átlátszóvá vált a fény számára. A világegyetem térfogatát korábban kitöltõ plazma sugárzása így napjainkig akadálytalanul terjedhetett, és eljuthatott hozzánk. A. A. Penzias és R. W. WilsonNobel-díjat kapott ennek a sugárzásnak, az úgynevezett kozmikus háttérsugárzásnak a kísérleti felfedezéséért. Mai tudásunk szerint világegyetemünk egy hatalmas õsrobbanásból, a Nagy Bummból keletkezett. A kozmikus háttérsugárzás az õsrobbanásból, a Nagy Bumm egyik fontos kísérleti bizonyítéka, és messze a legõsibb fényjel, amelyet valaha csillagászok észleltek, sokkal régebben keletkezett, mint a legtávolabbi csillagok vagy csillagrendszerek fénye.
A korai univerzum tehát elemi részecskék forró, sûrû egyvelegébõl állt, ami az õsrobbanás, a Nagy Bumm után erõsen tágult és hûlt, s közben halmazállapot-változások sorozatán ment keresztül. Ezeket a halmazállapot-változásokat és a korai univerzumban meglévõ, de azóta eltûnt anyagfajtákat szeretnénk a nagyenergiás fizika kísérleti módszereivel újra elõállítani. Ehhez a jelenleg elérhetõ legnagyobb energiájú gyorsítókra, a lehetõ legnagyobb térfogatokra és a lehetõ legnagyobb energiasûrûségekre van szükség.
Ezért kapnak kiemelt figyelmet a nagyenergiás nehézion-fizikai kutatások, melyek során a Földön fellelhetõ legnagyobb ionokat (például a szinte teljesen ionizált arany- vagy ólomatomokat) felgyorsítjuk a legnagyobb elérhetõ energiákra, és ezekkel a nagy energiájú ionokkal végrehajtott kísérletekben keressük az anyag új halmazállapotait. Foglaljuk össze a korai univerzum, a Nagy Bumm valamint a nehézion-ütközés, a Kis Bumm fizikájának hasonló elemeit:
 
Nagy Bumm
Kis Bumm
Hubble-tágulás: a galaxisok egymástól  a távolságukkal arányos sebességgel távolodnak Hubble-típusú, önhasonló tágulás ahadronok egymástól a távolságukkal arányos sebességgel távolodnak
A világegyetem galaxisainak önhasonló csoportosulásai  A hadronok keletkezésének önhasonló szerkezete 
Nukleoszintézis: a különféle atommagok létrehozása protonokból és neutronokból Hadronszintézis: különféle  hadronok létrehozása kvarkokból
Kozmikus háttérsugárzás: fotonok az elektron-proton-plazmából Nehézion-háttérsugárzás: fotonok a  kvark-gluon-plazmából 
 Sötét anyag: elméletileg megjósolt, de még nem megfigyelt anyagok Ritka kvarkokból álló anyag:  elméletileg megjósolták létezését, de kísérletileg nem találták még meg 
Vákuumszerkezet topológiai hibákkal  Iránytévesztett királis kondenzátum
Csillagászati interferometria Részecske-interferometria
Fekete lyukak Hawking-sugárzása, préselt vákuum kialakulása  Elõre-hátra korrelációk, préselt vákuum kialakulása 
Bal-jobb aszimmetria kialakulása Bal-jobb aszimmetria kialakulása, UA(1) probléma
Részecskemikroszkópok
A korai univerzum tágulására a csillagok és csillagrendszerek távolságának és sebességének meghatározásából következtethetünk. A mérési eredmények szerint minél távolabb van tõlünk egy galaxis, annál nagyobb sebességgel távolodik. A mi galaxisunk nem foglal el kitüntetett helyet, tehát valójában szerterajzó galaxisokról beszélhetünk.
Hasonló képet kapunk, ha a nehézion ütközések végállapotát tekintjük, aminek az egyik legfeltûnõbb tulajdonsága a szerterajzó hadronok létrejötte. A galaxisok távolodásának sebességét a színképvonalak vöröseltolódásából, távolságukat legfényesebb csillagaik fényességének és a fényességváltozás periódusának összefüggésébõl határozhatjuk meg. Milyen módon lehetne azonban megmérni az elemi részecskék seregének egymáshoz viszonyított távolságát?
 
 
 
A Hubble-ûrteleszkóp felvétele az NGC 6751 jelû planetáris nebuláról, és a STAR-kísérlet felvétele a 40 TeV összenergiájú Au+Au nehézion ütközésrõl (RHIC) jól illusztrálja a Nagy Bumm és a Kis Bumm fizikája közti kapcsolatot
A ma ismert egyik legnagyobb felbontású, az elemi részecskefizikai folyamatok és a nehézion reakciók tanulmányozására szolgáló eszköz az intenzitás interferometriai mikroszkóp, egyszerûbb nevén a részecskemikroszkóp.
Ez az eszköz a kvantumfizika egyik alapelvén nyugszik, mely szerint az azonos állapotban lévõ részecskék egymástól megkülönböztethetetlenek, azaz a részecskéknek nincs haja. A kvantumfizikában a mérhetõ mennyiségek a hullámfüggvény abszolút értékének négyzetével kapcsolatosak. Ebbõl fakad, hogy két azonos típusú részecske felcserélésekor a rendszert leíró hullámfüggvény vagy (+1) vagy (-1) szorzót kap, hogy a mérhetõ mennyiségek változatlanok maradhassanak, azaz (+1)2 = (-1)2 = 1 szorzót kapjanak. A (+1) szorzóval jellemzett részecskéket bozonoknak, a (-1) szorzóval jellemzett részecskéket pedig fermionoknak nevezzük. A fotonok, az elektrogyenge kölcsönhatást közvetítõ W+- é s W--, valamint Z0-részecskék és az erõs kölcsönhatást közvetítõ gluon nevû részecskék is bozonok, hasonlóan a kvarkok és antikvarkok kötött állapotaként értelmezhetõ mezonokhoz, melyek közül leggyakoribbak például a pionok és a kaonok. Az elektronok, a muonok, a kvarkok, a protonok és a neutronok a fermionok családjába tartoznak. A bozonok keletkezési valószínûsége megnövekszik akkor, ha a vizsgált állapothoz közeli állapotban már van jelen bozon. A fermionok esetén a helyzet épp fordított; két fermion nem lehet pontosan ugyanabban a kvantumállapotban, és egy fermion keletkezési valószínûsége csökken, ha a kérdéses állapothoz közeli állapotban már van jelen fermion. Ebbõl látható, hogy két, egymáshoz közeli impulzusú proton keletkezési valószínûsége annál kisebb, minél kisebb térfogatból származnak. Közeli impulzusú pionpárok vagy kaonpárok keletkezési valószínûsége pedig annál nagyobb, minél kisebb térfogatból származik a részecskepár. A részecskepárok keletkezési valószínûségét, a kétrészecske-korrelációkat megmérve meghatározhatjuk, hogy milyen nagy térfogatból származnak a részecskék. Ez a részecskemikroszkópok mûködésének alapelve. Ilyen elven mûködõ mikroszkópokkal a CERN SPS Pb +Pb reakciókban tipikusan 4 femtométer látszólagos sugarú részecskeforrásokat lehet meghatározni. Ez a távolság a méter milliárdod részének a négymilliomodnyi része, a legfinomabb elektronmikroszkóp felbontásánál mintegy százezerszer rövidebb távolság.
A részecske-interferométer elvét azonban nem a részecskefizikusok fedezték fel, hanem tõlük függetlenül és õket megelõzve két brit rádiócsillagász: R. Hanbury Brown és R. Q. Twiss, akik távoli csillagokból jövõ korrelált fotonpárokat vizsgáltak és a korreláció nagyságából a csillagok látszólagos szögátmérõjére következtettek (HBT effektus, 1954-1956). 1960-an G. Goldhaber, S. Goldhaber, W. Leeés A. Pais a r-mezon megjelenését keresve vizsgálta a proton -antiproton annihilációban keletkezõ pionok szögeloszlását. Észrevették, hogy kis relatív nyílászöggel kicsit több, nagy relatív nyílásszöggel kicsit kevesebb, mint véletlen számú pion keletkezik, és a kísérleti eredményeket a pionok bozonikus természetére vezették vissza (GGLP effektus, 1960).
Ahhoz hasonlóan, ahogyan egy távcsõvel az égboltnak egyszerre csak kis részét vizsgálhatjuk, belátható, hogy a részecskemikroszkóppal is a Kis Bummoknak csak kis részletét láthatjuk. A teljes égbolt feltérképezéséhez a távcsövünket körbe kell vezetni az égbolton. Ehhez hasonlóan, a részecskemikroszkópok korrelációs méréseit ki kell egészíteni a kirepülõ részecskék impulzuseloszlásának a vizsgálatával ahhoz, hogy a reakció teljes képét, a részecskéket kibocsátó forrás teljes térfogatát rekonstruálhassuk. Ezen kutatásokban, a módszer kifejlesztésében a KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézetének munkatársai meghatározó szerepet játszottak. Kiemelendõ a Budapest-Lund magyar- svéd nemzetközi együttmûködés, melynek eredményei alapvetõ, nemzetközileg is elismert szerepet játszottak a Kis Bummokban fellépõ Hubble-típusú tágulási folyamatok igazolásakor (Csörgõ Tamás, Bengt Lörstad és Ster András). Igen eredményes a hadron-proton reakciók végállapotait vizsgáló holland-magyar közös kutatómunka is, mely segítségével a világon elõször sikerült a hadron-proton reakciók teljes végállapoti kiterjedését, egy több mint 40 fm hosszú, banán alakú, 1 fm keresztmetszetû, középen üres régiót a mért kísérleti adatokból meghatározni (Csörgõ Tamás, W. Kittel és R. Hakobyan, NA22-es jelû CERN kísérlet). Az együttmûködés anyagi hátterét 90 százalékban a Holland Tudományos Kutatási Tanács, 10 százalékban a magyar OTKA támogatása biztosította.

Pionlézerek

A lézereket számos orvosi, geológiai, fizikai és kémiai mûszer alkalmazza kedvezõ tulajdonságaik miatt. Ma már bárki vásárolhat olyan elemes fénymutatót, ami egy parányi, beépített lézert tartalmaz. Kevesen tudják azonban, hogy a lézerek fizikájában a fény részecskéinek felcserélési tulajdonsága, a fotonok bozonikus természete játszik meghatározó szerepet. Mivel a fotonok bozonok, szeretnek azonos kvantumállapotban tartózkodni, és egy adott kvantumállapotba elvileg tetszõleges számú foton kerülhet. Lézerrõl akkor beszélhetünk, ha egy adott típusú kvantumállapotból egy fotont elvéve ugyanolyan típusú állapotot kapunk. Belátható, hogy ez végtelen sok, különbözõ számú fotont egyesítõ állapotnak felel meg, ugyanis a végtelen sokból egyet elvéve továbbra is végtelen sokat kapunk.
A nagyenergiás nehézion-ütközésekben eseményenként több ezer, pion névvel jelölt részecske keletkezik, és tudjuk, hogy a pionok bozonok. Felvetõdik a kérdés, hogy lehetséges- e ezeket a pionokat azonos kvantumállapotba hozni, lehetséges- e a részecskékbõl lézert készíteni. A kérdés vizsgálata egyenlõre még csupán az elméleti fizika birodalmában folyik, tudomásom szerint a kísérleti fizikusok még nem próbálkoztak meg a technikai akadályok legyõzésével. Az elméleti számítások nehézségei sem lebecsülendõek. Ugyanis az összes pion összes lehetséges felcserélését ki kell számítani, ez ezer pion esetében roppant nagy szám, értéke 1000·999·998· ... ·3·2·1. Ennek az ezer tényezõt tartalmazó szorzatnak a neve 1000 faktoriális, jele 1000!, értéke közelítõleg 4 · 102567, egy olyan nagy szám, melyben az elsõ, négyes számjegyet 2567 további számjegy követi. Az ilyen hatalmas számú felcseréléseket még a legmodernebb szuperszámítógépekkel sem lehet belátható idõn belül kiszámítani. Talán ezért is váltott ki nagy nemzetközi visszhangot, amikor a pionokból álló lézerek leírására Zimányi József akadémikussal együttmûködve egy szép, egzakt, két sorban leírható egyszerû megoldást találtunk, mely tetszõleges számú részecskére érvényes, és a képlet kiszámításának ideje független a részecskék számától. Ennek a megoldásnak a segítségével megmutatható, hogy a pionokból és várhatóan a többi semleges, bozonként viselkedõ részecskébõl is lehet majd lézereket készíteni, ha a technikai fejlettségünk ezt majd lehetõvé teszi. Az ma még teljességgel megjósolhatatlan, hogy milyen eszközöket készítenek majd a részecskelézerek segítségével. Hiszen 1926-ban, amikor Erwin Schrödingera lézereket leíró kvantumállapotokat felfedezte, azt sem lehetett még tudni, hogy valaha elõ lehete állítani ezeket az állapotokat. Azt pedig a legmerészebb fantáziájú kutatók sem merték gondolni, hogy a 20. század utolsó éveiben ilyen kvantumállapotok segítségével fogunk majd felhõket és füstködöket megvilágítani, a nagyközönséget szórakoztatni, beteg szemeket operálni, repülõgépek leszállását, alagútfúró gépeket irányítani, távolságokat mérni.
 

Köszönetnyilvánítás

Szeretném megköszönni a magyar, az amerikai, a brazil, a holland és a svéd adófizetõknek és a munkánkat támogató kutatási alapoknak, hogy kutatásaink anyagi hátterét biztosították. Munkánkat támogatta az Országos Kutatási Alapprogramok (OTKA), a T024094, a T026435 és a T029158-as pályázata, a Magyar-Amerikai Közös Alap MAKA 652/1998-as pályázata, a Holland Tudományos Kutatási Alap (NWO) és az OTKA nemzetközi N0251856-os pályázata, a brazil FAPESP 98/2249-4-es és 99/091133-as pályázat, valamint az USA Energiaügyi Minisztériumának DE-FG02-93ER40764- es, DE-FG-02-92-ER40699-es és DE-AC02-76CH00016-os pályázata.
 
IRODALOM
[1]A RHIC gyorsítóról és annak új felfedezéseirõl lásd: http://www.bnl.gov/
[2]A CERN gyorsítóról és a kvarkanyag felfedezésének valószínûsítésérõl: http:/cern.web.cern.ch/CERN/Announcements/2000/NewStateMatter/
[3]Hegyi Sándor, Horváth Ákos, Siklér Ferenc cikke e különszámban
[4]Csörgõ Tamás, Részecske Interferometria 40 MeV-tõl 40 TeVig, http://arXiv.org/abs/hep-ph/0001233
[5]Csörgõ Tamás és Zimányi József, A pionlézer-modell analitikus megoldása, Phys. Rev. Lett. 80 (1998) 916-918, http://arXiv.org/ abs/hep-ph/9705433