Magyarok Amerikában - forró nyomon az ősanyag nyomában Bevezető Motiváció Kisérletek Elméleti alapok Eredmények Új jelenség Új anyag Csörgő Tamás MTA KFKI RMKI A legforróbb anyag: tökéletes folyadék Mi folyik itt? 1
A Nagy Bumm Az anyag felépítése: Molekulák, atomok Elektronok, protonok, neutronok Kvarkok, gluonok Korai univerzum: forró, táguló rendszer Kvark-gluon anyag Hűlés kifagyás Ma: fagyott anyag Fagyott világ hasonlata 2
Nehézion-ütközések: Kis Bumm Nukleon-olvasztás Kvarkok bezárása ill. kiszabadítása Hasonlat: jégből víz vagy gőz Szárazjég? Vízjég? Nagy energiájú ütközéssel mindez elérhető (?) Nehézionok ütközése: forró, táguló rendszer Elég forró? Régi-új anyag? 3
Relativistic Heavy Ion Collider RHIC: Relativisztikus nehézion ütköztető Két koncentrikus gyűrű, metszéspontokon ütközések Nyaláb: p, d, Cu, Au; Tömegközépponti energia: 20-500 GeV/nukleon 4 kísérleti együttműködés: BRAHMS, PHENIX, PHOBOS (Veres Gábor), STAR Magyar intézményi részvétel a PHENIX-ben: KFKI: Csörgő T., Hidas P., Nagy M., Ster A., Sziklai J., Vértesi R., Zimányi J. ELTE: Kiss Á., Csanád M., Deák F. DE: Tarján P., Imrek J., Veszprémi V. BNL: Dávid Gábor Elindított fejlesztési programok: 4
A RHIC működéséről 5
Elméleti alapok Elméleti keret: Standard Model Stabil elemi részecskék: elektron, proton, (neutron) A protonnak és neutronnak (kvark) szerkezete van: A kvarkok további, instabil részecskéket alkothatnak (~2000 ismert közülük, élettartamuk: ~10-6 - 10-23 sec) Barionok: 3 kvark kötött állapotok Mezonok: kvark-antikvark állapotok Egzotikum: Pentakvark? 6
kvarkok leptonok A részecskék Standard Modellje erős elektro-mágneses gyenge Elektron: elemi részecske Proton, neutron, hadronok nem azok kvarkok Három kölcsönhatás, közvetítő bozonok u up d down e electron n e electron neutrino c charm s strange m muon n m muon neutrino t top b bottom t tau n t tau neutrino g gluon g foton Z Z bozon W W bozon Erős, gyenge, elektromágneses töltés Erős töltés: szín QCD: kvantum-szín-dinamika 7
Alapkutatás: Az Ősanyag nyomában... Elméleti igény: az erősen kölcsönható anyag halmazállapotainak vizsgálata a jelenleg elérhető legmagasabb hőmérsékleteken (gyorsító energiákon). Az erősen kölcsönható anyag halmazállapotai. A 2004-es fizikai Nobel-díj: az erős kölcsönhatás aszimptotikusan szabad -> a kvarkok és gluonok gáz halmazállapotú, igen forró kvarkgluon plazmát alkotnak - ez az elméleti várakozás. Kísérleti feltételek: szupravezető mágnesek, nehézionok szemből ütköztetése, pénzügyi elkötelezettség (1 milliárd USD főleg USA és Japán + egész világ vezető országai). Jelenlegi élvonal 2 nagy gyorsítónál: BNL(Amerika): 2000-től, Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) CERN(Európa): 2008/2009-től, Large Hadron Collider (LHC) 8
Az erős kölcsönhatás halmazállapotai Hőmérséklet > T c : Kvark Gluon Plazma. Új halmazállapot(ok?) Az erős kölcsönhatás aszimptotikusan nagy energiákon szabad (2004-es Nobel díj, D. J. Gross, H. J. Politzer, F. Wilczek) -> gáz? Z. Fodor, S.D. Katz: T c = 176±3MeV MeV ~ 2 terakelvin (hep-ph/0511166) hadronok -> kvark-gluon plazma(?) T c 9
Forró nyomon: RHIC kísérletek Gyorsító adatok: körív: tkp energia: sebesség: felhasznál: nyalábok: luminozitás: előállít: hőmérséklet: alapanyag: üzemel: LHC (CERN) körív: energia: (korábban: 3.8 km 19-200 AGeV 99.995% c protonok, deutérium, réz és arany atommagok 2 szembe nyaláb, mindegyik 120 csomag -ban 2 x 10 26 cm -2 s -1 (Au+Au, 106 ns átfedésekkel) több ezer új részecskét ütközésenként > 2 trillió K (igen forró nyomon!) 20 év alatt 1 gramm arany 2000-től 2008 (p+p)/2009 (Pb+Pb)-től 27 km (LEP átalakítva) 14 ATeV fix target, SPS: E cms ~ 17 AGeV Pb+Pb) 10
PHENIX Fotonok, elektronok, müonok, hadronok azonosítása A reakció összes szakaszának vizsgálata Áthatoló próbák: korai állapotot tükrözik Hadronok: kifagyáskori állapot 11
1. mérföldkő: új jelenség Nagy transzverz impulzusú részecskék elnyomása: PHENIX eredmény a Physical Review Letters címlapján Az első nagy tudományos elismerés, az első magyarországi szerző: Ster András A munka dandárját BNL csoport végezte, Dávid Gábor, a brookhaveni magyar vezetésével 12
Mitől csökken a részecskesugarak energiája? Kezdeti feltétel? gluonok összenyomódása Új anyag? elnyelés közegben Hogy tegyünk különbséget? Kapcsoljuk ki a közeget d+au ütközések (2003) 13
A frontális Au+Au ütközésekben nyelődik el a legjobban a részecskesugár (PHENIX, PHOBOS) Au + Au d + Au ellenpróba Final Data Preliminary Data Au+Au és d+au ellenpróba eredménye: Drámai különbség és ellentétes függés az ütközés frontálisságától A részecskesugarak elnyelődése a frontális Au +Au ütközésekben a legerősebb, a keletkező új anyag miatt lép fel. 14
Brazil: Universidade de Sao Paulo China: IHEP Beijing IMP - Lanzou IPP Wuhan USTC SINR Shanghai Tsinghua University Great Britain: University of Birmingham France: IReS Strasbourg SUBATECH - Nantes Germany: MPI Munich University of Frankfurt India: IOP - Bhubaneswar VECC - Calcutta Panjab University University of Rajasthan Jammu University IIT - Bombay VECC Kolcata Poland: Az Warsaw Ősanyag University Nyomában of Tech. ELTE, 2007/10/11 A STAR kisérlet a RHICnél 15 Russia: MEPHI - Moscow LPP/LHE JINR - Dubna IHEP - Protvino U.S. Laboratories: Argonne Berkeley Brookhaven U.S. Universities: UC Berkeley UC Davis UC Los Angeles Carnegie Mellon Creighton University Indiana University Kent State University Michigan State University City College of New York Ohio State University Penn. State University Purdue University Rice University Texas A&M UT Austin U. of Washington Wayne State University Yale University
STAR: Szögeloszlások és kifutó-befutó sugárpárok pedestal and flow subtracted Kifutó irány: p+p, d+au, Au+Au hasonlóan viselkedik Befutó irány: Au+Au ütközésben elnyelődés, p+p és d+au - nincs ez A befutó részecskesugarak elnyelődése a frontális Au+Au ütközésekben létrejövő új anyagon 16
2. mérföldkő: új anyagfajta d+au ütközésekben nem megfigyelhető az új jelenség Nem az Au mag szerkezetmódosulása Au+Au: új anyag PHENIX-Magyarország együttműködés: 10 magyar a PHENIX szerzői listán 17
Eredmények V 2 - elliptikus folyás y x z dn/d ~ 1 + 2 v 2 (p T ) cos (2 ) Kollektiv mozgás (hidrodinamika) jele. Az adatok hidrodinamikai képben értelmezhetőek a 2000 MeV alatti p t tartományban. M. Csanád, T. Csörgő, A. Ster et al. http://arxiv.org/abs/nucl-th/0512078 18
3. mérföldkő: 2005 vezető fizikai híre Amerikai Fizikai Intézet: 2005 legfontosabb eseménye! PHENIX: 3x AIP Top Physics Story RHIC első éveit összegző cikkek: Top Physics Story #1 2005 19
Analógia RHIC tűzgömb Nap Core Sun Halo Solar wind T 0,RHIC ~ 210 MeV T 0,SUN ~ 16 million K T surface,rhic ~ 100 MeV T surface,sun ~6000 K 20
Tökéletes folyadék?! Tökéletes ideális! Tökéletes: elhanyagolható viszkozitás és hővezetés Ideális: összenyomhatatlan Viszkozitás h: nyíróellenállás mértéke Alacsony viszkozitás Nagy hatásk.m. Erős csatolás Lényeges mérőszám: kinematikai viszkozitás AdS/CFT megfeleltetés: hep-th/9711200, gr-qc/0602037, hep-th/0405231 Viszkozitás-mérés: nucl-ex/0609025, arxiv:0704.3553, nucl-th/0606061, nucl-ex/0611018 h (1.8 0.6 1.2) s 4 A jelenleg ismert legforróbb anyag: Folyadék halmazállapotú h s 4 4 Az eddig előállított legtökéletesebb folyadék h s 21
Allegória és költészet a fizikában Nehézionok: Új anyagot szétcsapó, Öklelő bikák. A Nobel díjas fizikus, T. D. Lee verse, Csörgő Tamás forditásában (Magyar Tudomány, 2005) 22
A PHENIX együttműködés 23