Lévai Péter

KFKI RMKI, Részecske és Magfizikai Kutató Intézet, Budapest

A kvarkanyag elõállítását megcélzó legfontosabb CERN SPS kísérletek eredményei mostanra már a rendelkezésünkre állnak, így kézenfekvõnek tûnik, hogy megpróbáljuk megválaszolni az alapkérdést, nevezetesen, hogy sikerült-e elõállítanunk a kvarkanyagot, s ha igen, akkor az milyen tulajdonságokkal rendelkezik. A 160-200 GeV/nukleonbombázó energiával elvégzett p+(S,Ag,W,Au,Pb), S+(S,Ag,W,Au) és Pb+Pb ütközések legfontosabb eredményeit a következõképpen foglalhatjuk össze:

1. Tûzgömb, kollektív áramlások: a proton-nehézion és a nehézion-nehézion ütközésekben a keletkezett hadronok impulzuseloszlása és a kétrészecske korrelációk egy tûzgömb megelenésével jól leírhatóak. Például a Pb+Pb ütközésben a szabad részecskékre szétesõ tûzgömb hõmérséklete T~l20MeV lesz, s a forró anyag a nyalábra transzverzális irányba v_T/c=0.55 kollektív sebességgel (a fénysebesség több mint felével) fog tágulni. Ha a tûzgömb fejlõdését elméleti modellszámításokkal visszafelé követjük, akkor eredményül mintegy =3 GeV/fm³ energiasûrûség kialakulását kapjuk a korai állapotban. Ez az energiasûrûség jelentõsen meghaladja a rács-QCD számolások által jósolt, a kvarkanyag megjelenése szempontjából fontos _c=1.5-2 GeV/fm³ kritikus energiasûrûséget, azaz Pb+Pb ütközésben kialakulhattak a fázisátalakuláshoz szükséges körülmények. A könnyebb atommagok ütközésekor szintén tûzgömbjellegû végállapot alakul ki, azonban a kisebb barionszám miatt a kezdeti energiasûrüség a kritikus érték alatt (esetleg annak közelében) marad. A tûzgömb megjelenése azonban nem elegendõ a kvarkanyag megtalálásához, mert a termikus egyensúly kialakulása teljes információvesztéshez vezet, azaz nem tudjuk, hogy milyen is volt valójában az ütközés korai állapota. Így akár nagy energiasûrûségû hadronanyag is keletkezhetett, amely elméletileg kerülhet ugyanolyan végállapotba is, mintha kvarkanyag jelent volna meg. Ezért szükséges a részecskeprodukciók további részletes vizsgálata.

2. Ritka részecskék: Mivel a ritka részecskék eredetileg nincsenek jelen hanem az ütközés során újonnan keletkeznek, ezért fontos információt hordozhatnak az ütközés lezajlásáról. A kísérletekben azt láthatjuk, hogy a p+A ütközéshez képest az A+B esetben a ritkaság produkcióra jellemzõ K/ arány megnõ, a g_s = s / (u + d) ritkaságprodukciós faktor 0.16-ról (p+A) 0.25-re (A+B) emelkedik és egyben telítõdik is (g_s=0.33 kapnánk, ha a ritka kvark és a könnyû kvarkok tömege megegyezne). A részletesebb vizsgálatok már az S+S ütközésnél kiderítették, hogy a hadronikus alapú ún. húr-modellek nem tudják kielégítõen leírni az és részecskék együttes keletkezését. Ezért bevezették a húrok átfedését és azok színerõtér-kötegekké való összeolvadását. Ezt a folyamatot minden nehézion ütközés modellezésénél figyelembe kell vennünk, így az Pb+Pb esetben is. További eredmény, hogy a nehéz hiperonok (, ) és antihiperonok (, )kevésbé vesznek részt a tûzgömb hadronikus szakaszában fellépõ másodlagos hadron-hadron kölcsönhatásokban, ezért számuk és arányaik a lehetõ legkorábbi hadronikus állapotot, azaz a kvarkanyag-hadronanyag fázisátalakulási pontot mutatják. A hiperonspektrumok Pb+Pb ütközésben T~145MeV hõmérsékletet (ez az érték jól egyezik a rács-QCD számolásokkal) és v_T/c=0.4 kollektív transzverzális sebességet mutatnak a pre-hadronikus fázis végére.

3. Bájos részecskék: A ritka kvarkoknál nehezebb bájos kvarkok is megjelennek a CERN SPS kísérletekben és a J/ és a ' részecskék kísérletileg is mérhetõek. Ezekhez a részecskékhez kapcsolódik a legtisztább kvarkanyag-szignatúra jóslat: a kiszabadult kvarkok és gluonok le fogják árnyékolni a [c ] kötött állapotot és a J/ valamint a ' részecskék számának drasztikus csökkenése várható. A megjósolt jelenséget tisztán láthatjuk a Pb+Pb ütküzésben, méghozzá nagy transzverzális energia megjelenésekor (E_T~120-150GeV), azaz a legnagyobb középponti energiasûrûség kialakulásakor. A csökkenést sokáig az együttmozgó hadronokkal való ütközéssel próbálták magyarázni, azonban a legújabb elméleti számítások kizárni látszanak ezt az effektust, mert jóval gyengébb, mint azt a korai számolások mutatták. Úgy véljük, hogy a jelenlegi kísérletekben egyedül a Pb+Pb ütközésben iátott, ugrásszerûen megjelenõ J/ elnyomás egyértelmûen a kvarkanyag megjelenésére utal.

A felsorolt kísérleti eredmények egyik lehetséges elméleti magyarázata, hogy a nehézion ütközésekben megkezdõdik a gerjesztett hadronok (húrok) átfedése és a színerõtér-kötegek kialakulása (ezért telítõdik a ritka részecske produkció), azonban csak a Pb+Pb ütkózésben sikerül olyan nagy energiasûrûséget és olyan nagyméretû színerõtér-kötegeket létrehozni, amelyek már leküzdhetetlen akadályt jelentenek a rajtuk keresztül haladó [c ] kötött állapotok számára. A húrok egy perkolációjellegû fázisátalakulásban vesznek részt: a kritikus húrsûrûség elérése után az addigi szigetelõ közeg vezetõvé válik. Ez a fenomenológikus modell az intenzív színes erõterek megjelenésén alapul, amelyek azonban csak nagyon bonyolult hadronizációs folyamatok leírását teszik lehetõvé, s a kvarkok kiszabadulása is nehezen értelmezhetõ folyamat ebben a keretben. Várható, hogy egy kvarkokon és gluonokon alapuló részecske-alapú modell könnyebben kezelhetõ, mint a fenti leírás.

A kvarkanyag áilapotegyenletét rács-QCD számolások segítségével kaphatjuk meg. Az eredmények elemzése azt mutatja, hogy a forró, erõsen kölcsönható anyagban a kvarkok és gluonok kvantumszámait hordozó, de jóval nehezebb, tömeges kvázirészecskék jelennek meg: a T_c kritikus hõmérséklet közelében M_g~600MeV és M_q~350MeV. Ezeket a tömegeket úgyis értelmezhetjük, mint a közegben megjelenõ plazma.frekvenciákat, azaz nem propagál, nem létezik M_g-nél kisebb tömegû bozonikus és M_q-nál kisebb tömegû fermionikus színes szabadsági fok. Miután a tömeges gluonok ilyen nehezek, ezért számuk jóval kisebb lesz, mint a kvarkoké és antikvarkoké, azaz a fázisátalakulás során a hadronanyagból egy kvark-antikvark piazma állapot fog keletkezni. Miután a részecskék nehezek, ezért ugyanazon energiasûrûségnél a részecskeszámsûrûség is kisebb lesz, mint pl. tömegtelen részecskékre, azaz a kvark-antikvark plazma viszonylag híg állapot lesz. A tömeges kvázirészecskék alkalmazásával könnyedén leírható a pre-hadronikus fázis dinamikai viselkedése, a nehéz hiperonok áItal mutatott transzverzális áramlás kvark-antikvark fázisbeli kialakulása, valamint a hadronizáció folyamatának végigkísérése.

A két fenomenológikus modell sok szempontból átfed, õket párhuzamosan is használhatjuk úgymint részecske- illetve tér-alapú leírásokat. Azonban mindkét modell nagymértékben különbözik attól a nagyon korai kvark-gluon plazma modelltõl, amely a hadronok belsejébe bezárt, perturbatív QCD-vel leírható tömegtelen kvarkok és gluonok kiszabadulásán alapult.

Az elõadásomban részletesen ismertetem a nehézion ütközés tömeges kvark-antikvark plazma által, illetve a színerõtér-kötegek által dominált elméleti leírását, valamint röviden elemzem a kvarkanyagról alkotott képünk megváltozásának egyéb kutatási területekre, mint pl. az Univerzum korai állapotainak vizsgálatára gyakorolt hatását.