Az õsrobbanás elmélete klasszikusnak számít a kozmológiában. Talán a legszélesebb körben elfogadott és a legjobban bizonyított elgondolás az összes közül. Azt állítja, hogy világunk egy végtelenül apró pontba, szingularitásba volt összesûrûsödve. Ebbõl az állapotból óriási erejû robbanás repítette széjjel, körülbelül 15 milliárd évvel ezelõtt. A bizonyítékok között említhetõ a világegyetem tágulása (a távoli galaxisok fényének vöröseltolódása), a mikrohullámú háttérsugárzás (minden irányban hasonló, 3 K hõmérsékletû), valamint a kozmikus elemgyakoriság (az egyes elemek és izotópjainak arányai).

Ha gondolatban visszafelé utaznánk az idõben, azt látnánk, hogy a ma részben galaxisokba tömörült anyag az egyre kisebb világban egyre sûrûbb és forróbb lenne. Mintegy háromszázezer évvel a Nagy Bumm után az atomok elvesztenék elektronjaikat, a harmadik percnél már az atommagok sem tudnának ellenállni: alkotóelemeikre, protonokra és neutronokra szakadnának. Azeddigi történéseket atom- és magfizikai ismereteink alapján könnyen elképzelhetjük. No de mi történt korábban? Más szóval, milyen anyagot kapunk, ha a protonokat és neutronokat tartalmazó levest tovább sûrítjük, melegítjük? Gerjesztett nukleonokat, rezonanciákat vagy valami mást? Az anyag ezen korai állapotának rekonstruálásához a segítséget a részecskefizika eredményei adhatják.

Szabad kvarkot mind a mai napig nem detektáltak, pedig sokan és sokat keresték. Az egyre nagyobb energiájú gyorsítókkal végzett kutatások nem szolgáltattak bizonyítékot, ugyanakkor csak néhány - a kozmikus sugárzást vizsgáló - mérés tudott felmutatni megerõsítetlen eseteket. Emiatt a hadronok kvarkmodelljében¹ ki kellett kötnünk, hogy a természetben csak színtelen részecskék létezhetnek, egyben magyarázva azt is, hogy miért csak a három különbözõ színû kvarkból alkotott állapotok, valamint a kvark-antikvark párok stabilak. Az erõs kölcsönhatás térelmélete, a kvantum-színdinamika szerint ennek mélyebb okai vannak: a színtöltést közvetítõ gluonok azt maguk is hordozzák, ez végül a kvarkok bezárásához vezet.

Sok fizikus mégis azt gondolta, hogy megfelelõen nagy energiasûrûség, hõmérséklet mellett a kvarkok „börtönükbõl" kiszabadulhatnak: szabad kvarkokból és gluonokból álló újfajta anyagot, kvark-gluon-plazmát (quark-gluon plasma, QGP)alkothatnak. Azzal érveltek, hogy az elõbb megkívánt színtelenség csak korlátos érvényû. Feltételezésüket számításokkal is alátámasztották: a kvantum-színdinamika törvényeit alkalmazva számítógéppel szimulálták a világot, amelyben egy négydimenziós rács jelenítette meg a tér és idõ pontjait. Ezek szerint a normális maganyag sûrûségének hétszerese, valamint a 1012 K-es hõmérséklet megfelelõ körülményeket teremthet az ilyen plazma fenntartásához. Ez az állapot a Nagy Bumm utáni néhány milliomod másodpercben állhatott fenn.

Látjuk, hogy egy kozmológiai probléma hogyan válhatott a részecskefizika egyik érdekes kérdésévé. Amíg az elõbbiben kísérleteket nem végezhetünk (Nagy Bumm eddig csak egyszer volt), az utóbbiban minden elmélet mércéje a kísérleti igazolás vagy elvetés kell legyen. Más szóval, állítsunk elõ Kis Bummot a laboratóriumban!

A kísérletek alapvetõen két csoportba sorolhatók: egyik részük többféle detektorokat használva a viszonylag könnyebben megfigyelhetõ jellemzõket méri és próbálja megérteni. Atöbbiek inkább a ritkábban elõforduló, de emiatt érdekesebb jelekre koncentrálnak. Lássuk õket sorjában!

Az NA44a keletkezett részecskék csak kis részét detektáló (kis akceptanciájú),fókuszáló spektrométer. Két fõ részbõl áll. Elõször dipól- és kvadrupólmágnesekkel kiválasztják az ütközésbõl kirepülõ részecskék impulzustartományát, majd mérik azok impulzusát, repülési idejét és Cserenkov-fényét. Ezek az adatok lehetõvé teszik a részecskék típusának meghatározását. A kísérlet különösen alkalmas a keletkezõ részecskék impulzuskülönbségeinek mérésére (relatív felbontása néhány ezrelék), amivel jó lehetõséget ad interferenciák és korrelációk vizsgálatára.

Az NA45 célja alacsony tömegû, eletron-pozitron-párra bomló mezonok, valamint a hasonló módon detektálható fotonok megfigyelése. A részecskék útját két szilícium driftkamra és egy sokszálas proporcionális kamra rögzíti. A részecskék azonosításában alapvetõ szerepet játszik az általuk kibocsátott Cserenkov-fényt érzékelõ két detektor (RICH). Ezekben a fényt tükrök segítségével kör alakúra képezik le, amelynek sugara függ a részecske energiájának és nyugalmi tömegének arányától (g-faktor). A keletkezett elektronpárok száma az összes töltött részecskének csak százezred része, de a két RICH felhasználásával a nagy g-faktorú elektronok mégis kihalászhatók.
 

Az NA49széles akceptanciájú spektrométer proton-proton, proton-mag és mag-mag ütközésekben keletkezõ hadronok tanulmányozására (2. ábra). A hét kísérlet közül ez az, amelyben magyar kutatók is tevékenyen részt vesznek: az egyik részdetektor, a Budapest-fal, egy rács geometriájú repülésiidõ-spektrométer a KFKI-RMKI-ban készült. Emiatt érdemes itt kicsit elidõznünk és részletesebben is megismerni a kísérletek egyikét, ha már az összes bemutatására nincs lehetõségünk.

2. ábra. Nagy akceptanciájú detektorrendszer, az NA49-kísérlet. Anyaláb a jobb felsõ sarokból érkezik. A kör alakú mágnesek belsejében és elõtt látható a négy TPC, majd az ábra elõterében a két pár repülésiidõ-mérõ fal (a sötétebb a Budapest-fal)
 

A nyaláb pontos irányítását a céltárgy elõtt 30 és 10 m-re elhelyezett néhány cm2 érzékeny felületû sokszálas proporcionális kamrák segítik, így az ütközés helye tizedmilliméter pontossággal határozható meg. A bejövõ részecskék kiválasztását három detektor végzi: egy kvarcanyagú, valamint egy légköri nyomású héliummal töltött Cserenkov-számláló, továbbá egy a közepén lyukas, úgynevezett vétódetektor.
 

A céltárgy anyaga egy vékony ólomfólia (protonos mérések esetén folyékony hidrogén). A mérés során célunk minél több kirepülõ részecske azonosítása, pályájának rekonstruálása. Annak érdekében, hogy a részecske impulzusát is mérni tudjuk, nagy mágneses teret alkalmazunk, így a pálya görbületébõl az meghatározható. Ugyanakkor a részecskék töltés, valamint impulzus szerint is valamelyest elkülönülnek, ezért a nyomsûrûség csökken, könnyebbé téve az azonosítást. A kísérlet két szolenoid szupravezetõ mágnest alkalmaz, melyeknek tere nagyobb, mint1 T.
 

A részecskék nyomainak rögzítését négy nagy térfogatú idõprojekciós kamra (TPC) végzi. Közülük kettõ található a két mágnes közepében, a másik kettõ pedig már a kísérlet mágneses tértõl mentes részében foglal helyet. Méréseikbõl a részecskék impulzusa, valamint fajlagos energiavesztesége meghatározható, az utóbbit - melynek felbontása 4 százalék körül mozog - a késõbbi részecske-azonosításhoz használjuk.
 

A kamrák alján a szükséges elektromos teret elõállító katód, a tetején pedig a kiolvasó sík található. Az áthaladó töltött részecskék útjuk mentén a gázt ionizálják. Ezután a kamra alsó és felsõ lapja közé kapcsolt feszültség hatására a szabad elektronok felfelé, az ionizált atomok pedig a másik irányba haladnak. A kiolvasó lapon jól felosztott elektronika foglal helyet, ami méri az adott idõkapu alatt felületére beérkezõ töltés nagyságát. A pálya pontjainak két koordinátája így rögzített, innen a projekció elnevezés. A hiányzó függõleges koordináta az ionizálás helyétõl a lapig jutás idejébõl határozható meg.
 

Alacsonyabb impulzusú (10 GeV/c alatti) részecskéknél a mért ionizáció szórása miatt a különféle részecskék már nem válogathatók szét egyértelmûen. Szükséges ezért még egy fizikai jellemzõ mérése, ami a részecske sebessége. Ha megmérjük, hogy a céltárgyról kiindulva mennyi idõ alatt tesz meg egy adott távolságot, impulzusa ismeretében tömege kiszámítható. Az ilyen idõmérésre alkalmas detektoroknak a repülésiidõ-spektrométernevet adhatjuk. Speciális anyagú rudakból (szcintillátor) állnak, melyekben az áthaladó részecskék fényfelvillanást keltenek. Ezt a fényt fotoelektron-sokszorozókkal felerõsíthetjük és jól mérhetõ elektromos jelekké alakíthatjuk. A detektorok idõfelbontása mintegy 60 ps (3. ábra).

3. ábra. Az NA49 kísérlet egyik repülésiidõ-falának (Budapest-fal) eredményei 4 GeV/c impulzusnál: a vízszintes tengelyre felmért tömegnégyzetet a TPC-k fajlagos energiaveszteség-mérésével kombinálva az egyes részecsketípusok (elektron, pion, kaon, proton) jól szétválogathatók
 

A kísérlet végén elhelyezkedõ kaloriméterek az oldalirányban és elõre kirepülõ részecskék összenergiáját mérik, így alkalmasak az ütközés centralitásának meghatározására.

Az adatok továbbítása speciális chipek alkalmazásával több szinten szervezett, az adatok célszámítógépekre jutnak, végül diszken és mágnesszalagon tárolják õket.
 

NA50:a müon spektrométer célja a párban keletkezõ müonok detektálása. E részecske tulajdonságai megegyeznek az elektronéval, de tömege mintegy 200-szor nagyobb. Mivel a müon is lepton, az erõs kölcsönhatásban nem vesz részt. Ezen tulajdonsága és nagy tömege miatt anyagon való áthatolóképessége igen nagy. Detektálásában pontosan ezt használják ki: ahadronokat BeO- és szénabszorberekkel elnyeletik, így csak a továbbrepülõ müonok azonosításával kell foglalkozni. Ezt a feladatot - egy toroid mágnes segítségével - nyolc sokszálas proporcionális kamra végzi. A mérés indítására szcintillátorrudakat használnak. Az ütközés centralitásának mérésére a céltárgy után szilícium alapú detektort, ólomlemezekbõl és szcintillálószálakból álló elektromágneses kalorimétert, valamint egy tantálba beágyazott kvarcszálakat tartalmazó kalorimétert helyeztek el.
 

NA52:kis akceptanciájú (mindössze 2 msr térszöget befogó) fókuszáló spektrométer. Vizsgálataik középpontjában a strangeletek(talán ritkaságoknak, ritka rögöknek fordíthatnánk) keresése áll. Egyes elméletek szerint ezek a részecskecsomagok a normális hadronikus anyagtól teljesen különbözõk lennének, leginkább egy sok és sokfajta (u, d, s) kvarkot tartalmazó zsáknak képzelhetnénk el õket. Elõállításuknak a forró és a sûrû környezet kedvezne. A kísérlet a nagy tömegû, de kis töltésû részecskék között próbált ezekre ráakadni, egyelõre kevés sikerrel. A részecskék azonosításához Cserenkov- és repülési-idõdetektorokat, sokszálas proporcionális kamrát, kalorimétereket alkalmaznak.
 

WA97: az egy, két vagy három ritka kvarkot tartalmazó hadronok megfigyelésére épült teleszkopikus spektrométer. Ezek a részecskék - strangekvarkjaik miatt - bomlásukban a gyenge kölcsönhatás törvényeit követik, ezért élettartamuk és úthosszuk nagy. Bomlástermékeik pályáját szilícium alapú detektorokkal: hétsíkú pixel-kamrával és tíz lapból álló nagyon jó felbontású eszközökkel rögzítik, felületük 25 cm². (Ezek egyben alkalmasak az ütközésben keletkezõ részecskék számának becslésére is.) A kezdeti ritka hadronokat az impulzus- és energiamegmaradást felhasználva rekonstruálják.
 

WA98: nagy akceptanciájú hadron és foton spektrométer. Eredetileg az úgynevezett nemirányított királis kondenzátum (DCC) megfigyelésére épült. Az elméletek szerint a hadronikus anyag nagy és forró régióiban a kvarkok típusa (íze) tetszõlegesen változhat, azaz a közöttük különbséget nem tevõ királis szimmetriahelyreállhat. Ez azt eredményezhetné, hogy a kvarkok íze térrészrõl térrészre máshogy állna be: az egyik ütközésben sok u-kvarkot, a másikban sok d-kvarkot tartalmazó részecskéket figyelnénk meg. A DCC kutatása nem járt sikerrel, elõfordulására felsõ korlátot tudtak adni.
 

A kísérlet célja fotonok, semleges hadronok és töltött részecskék detektálása, ütközésrõl ütközésre történõ mérése. A céltárgy után egy gömb alakú detektor a kirepülõ részecskék számát és impulzusát méri. A közeli szilícium alapú kamrák ezt még jobban pontosítják. Az elõre haladó részecskék összenergiáját kaloriméterrel rögzítik. A 10 ezer modulból álló ólomüveg spektrométer segítségével a fotonokat detektálják, ez jó lehetõséget ad a fotonra bomló mezonok (p⁰, h) rekonstruálásához. A töltött részecskék detektálását többlépcsõs lavinadetektorok, részecskenyom-rögzítõ berendezések, repülésiidõdetektorok teszik lehetõvé.
 

A kísérletek 1994-ben kezdõdtek, a mérési periódus általában egy-két hónap évente. A több millió megfigyelt és elraktározott ütközés kiértékelése, az adatok feldolgozása azóta is folyik.

Közvetlen fotonok (a Kis Bumm háttérsugárzása). Az erõsen nem kölcsönható fotonok a reakció térfogatát képesek elhagyni, ezzel információt hozhatnak az ütközés korai forró szakaszáról, hõmérsékletérõl. Fékezési folyamatokban, kvark-antikvarkannihilációban, kvark-gluon Compton-szórás során keletkezhetnek. A nagy kísérleti hátteret a hadronok bomlásai jelentik, emiatt a fotoneloszlások értelmezése még nem lehetséges.

Vektormezonok. Ezek az 1-es spinû mezonok lehetõséget adnak a sûrû anyag különbözõ fejlõdési szakaszainak vizsgálatára. Közülük is kitüntetett szerepet játszik a 770 MeV/c² tömegû r, melynek élettartama olyan kicsi (néhány fm/c), hogy többnyire az ütközési zónában elbomlik: a részecske tulajdonságait - tömegeloszlásának eltolódását, szélesedését - az azt körülvevõ anyag befolyásolhatja. Bár a mezonok két leptonra - itt e⁺+ e^- párra - bomlásának valószínûsége kicsi (10^-4), a kutatók mégis ezt a csatornát kísérik figyelemmel: a környezõ sûrû anyaggal gyengén kölcsönható elektronok képesek „kimenteni" az ütközés korai, forró szakaszából a mezonokra vonatkozó információt. A párok invariáns tömegének⁴ eloszlása megmutatja az ütközésben keletkezett mezonok számát (4. ábra).

4. ábra. Az elektron-pozitron párok invariáns tömegének eloszlása (üres és betöltött négyzetek). A görbék az egyes mezonok bomlásaiból elõrejelzett járulékot mutatják. (NA45 kísérlet)

Azt látjuk, hogy a mérési eredmények nem egyeznek meg elõzetes várakozásunkkal: a 400-600 MeV/c² tartományban egy nagyságrenddel a r ® e⁺+ e^- csatorna várható járuléka felett vannak. Mi történhetett? Talán lecsökkent a r-mezon tömege, keltési küszöbe?

A J/y rendellenes elnyomása. Ez a mezon a legkönnyebb, 3,1GeV/c² tömegû, c-rezonancia. Bomlásakor kvarkjainak ízt kellene váltania, ez azonban erõsen gátolt folyamat (OZI-szabály). Pontosan emiatt tömegeloszlásának szélessége kicsi, élettartama viszonylag nagy, és csak akkor bomlik el, ha már messze került az ütközés zónájától. Így azt hihetnénk, hogy vizsgálatainkban a közvetlen fotonokhoz hasonló szerepet játszhatna. Ugyanakkor a megfelelõen forró anyagban, ahol a kvarkok és gluonok szabadon mozoghatnak, a J/y kötött állapota nem tudna fennmaradni, kisebb lenne a hozama. Ezt az effektust valóban megfigyelték, már kisebb magok ütköztetésekor is. Hamar kiderült, hogy a jelenség a mezon nukleonokon való elnyelõdésével egyszerûen magyarázható : a keletkezett J/y-nek ki kell jutnia a magból, de ott rugalmatlanul kölcsönhat és megsemmisül. Ezek után az ólom-ólom-reakciók vizsgálatakor a kutatókat újabb meglepetés érte: a részecske elnyomása (elnyelõdése) még az elõrejelzettnél is nagyobbnak bizonyult, ezért az effektust rendellenesneknevezték.

A ritkaság növekedése (a Kis Bumm részecskegyakorisága). Anukleonokat u- és d-kvarkok építik fel. Nagy energiasûrûségnél azonban lehetõség van s s-párok keltésére, melynek küszöbenergiája csak 300 MeV. Emiatt például több kaont detektálnánk, azaz megnõne a K/p arány. Ugyanígy csökkenne a barionantibarion párok keltési küszöbe (2 GeV), ezért a legérdekesebb a ritkaságot hordozó antibarionok (L-, S-, X-, W-)növekedése lehet. A mérések pontosan ezt találták (6. ábra).

A megfigyelt részecskearányokat ezenkívül jól leírhatjuk egy kémiai egyensúlyba jutott anyag modelljével (7. ábra).

Folyás (a Kis Bumm tágulása). A kirepülõ részecskék sebessége meghaladja a fénysebesség felét.

Az ütközés után szétrepülõ részecskék energiájának mérésével megbecsülhetjük az elért anyagsûrûséget, ez 3 GeV/fm³-nek adódott. Hasznosnak bizonyulhat a mag-mag ütközések összehasonlítása a rendelkezésre álló nukleon-nukleon és nukleon -mag kísérletek adataival, ugyanis ez utóbbiak egyfajta etalonnak számíthatnak, segítve a mag-mag reakcióban fellépõ, valóbanúj effektusok gyors felismerését. A részecskék korrelációinak, kvantum-interferenciáinak segítségével az ütközések térés idõbeli lefolyásáról egyre pontosabb képet alkothatunk.

Bár új anyagot állítottunk elõ [1], bizonyítékaink egyelõre közvetettek. A következõ lépést elõre az új, nagyobb energiás gyorsítók jelenthetik: elsõként az idén nyáron beinduló New Yorkhoz közeli relativisztikus nehézion ütköztetõ (RHIC).

Sajnos a rendelkezésre álló eszközeink nem ideálisak: a magok ütközésének folyamata bonyolult, megértésünk még nem teljes. A tudományterület elõrehaladása szorosan a kísérletek eredményeihez, azok fejlõdéséhez kötõdik.

 
JEGYZETEK