MTA Wigner
Fizikai Kutatóközpont

CERN

ALICE együttműködés

A kvarkanyag vizsgálata a CERN LHC ALICE kísérletében

Az ősrobbanás utáni első mikromásodpercekben a világegyetem anyaga rendkívül sűrű és forró volt. Napjaink nagy részecskegyorsítóiban nagy sebességű nehézionok ütköztetése során képesek vagyunk ezt az ún. kvark-gluon plazmát (QGP) előállítani. Az anyag ezen extrém állapotának megismerését komplex detektorrendszerek szolgálják, amilyen az ALICE is. A mérési eredmények betekintést nyújtanak a világ egyik alapvető, mégis mindeddig hiányosan ismert kölcsönhatásának, az erős kölcsönhatásnak a mélyebb berkeibe. Az alábbiakban bemutatunk néhány olyan területet, amelyen az ALICE-Budapest csoport jelentős szerepet vállal az adatok kiértékelésében, értelmezésében.

Nagy impulzusú részecskék korrelációi

Nagy energiás ütközésekben egymásnak háttal kirepülő kvark-antikvark párok jönnek létre. Ezekből, mielőtt a detektorunkat elérnék, sok részecske keletkezik, így az ütközésben létrejött kvarkot a detektorunkban egy irányba repülő részecskékként észlelhetjük. Ezek az egy irányba repülő részecskék alkotják az úgynevezett jeteket. Nehéz atommagok ütközésekor ezen kívül létrejön egy forró és sűrű közeg is, az úgynevezett kvark-gluon plazma. A jetek a kvark-gluon plazmán áthaladnak, így azoknak a módosulását vizsgálva következtethetünk a plazma tulajdonságaira. Jeteket a nehéz atommagok ütközésében többek között szögkorrelációs mérésekkel lehet tanulmányozni. Ezekben a mérésekben részecske párokat veszünk és a köztök bezárt szög eloszlását vizsgáljuk. Ebben az eloszlásban a jetek egy csúcsot alkotnak, aminek a szélességét mérve és az alakját vizsgálva a jetek és a plazma kölcsönhatásáról kaphatunk információt. Az ALICE kísérletnél a ma elérhető legnagyobb energián végeznek ilyen jellegű méréseket ólom-ólom, ólom-proton és proton-proton ütközésekben. A Magyar ALICE csoport elsősorban az ólom-ólom ütközések tanulmányozásában vesz részt [1,2].

Tomográfiás mérések nehéz kvarkokkal

A kvark-gluon plazmát közvetett módon tudjuk vizsgálni, a nehézion-reakció különböző szakaszaiban keletkező és a későbbiekben a plazmával kölcsönható, majd azt elhagyó részecskék észlelésével. A nehéz kvarkok szerepe ebben különösen fontos, mert ezek a reakció korai szakaszában keletkeznek, és mindvégig megmaradnak, így a plazmát "átvilágítva" annak teljes történetéről hordoznak információt. A könnyű részecskékkel ellentétben a nehéz kvarkokat tartalmazó részecskék kis impulzussal is elhagyják a plazmát, így annak termikus, kollektív viselkedése is könnyebben megérthetővé válik. A genfi CERN kutatóközpont Nagy Hadronütköztetője (LHC) a 2015-ben megkezdett második üzemelési szakaszában tömegesen termeli a nehéz kvarkokat. A nehéz kvarkokat egyrészt bomlástermékeik révén tudjuk kimutatni, másrészt a bomlás pontos helyének rekonstruálásával. Az ALICE számos nehéz kvarkok fizikájához tartozó mérést végez proton-proton, proton-ólom és ólom-ólom ütközésekben [3]. A budapesti csoportban nehéz kvarkokat tartalmazó jetek hozamának mérését végezzük, jelenleg a 2016-ban felvett proton-ólom ütközések adatain.

Nagy impulzusú töltött részecskék spektrumai

A Nagy Hadronütköztető (LHC) nehézion-ütközéseiben keletkező kvark-gluon plazma markáns kollektív effektusokat mutat, amelyek azonosított, töltött hadronok transzverzális impulzusainak (pT) eloszlásai segítségével tanulmányozhatóak. Az azonosított részecskék pT-eloszlása elméleti oldalról kiválóan modellezhető hidrodinamikai számitásokkal alacsony (pT≈1-2 GeV/c alatti) impulzusokig. Magasabb pT értékeknél perturbativ QCD számolások szolgáltatnak információt. Magasabb impulzusoknál (különösen pT>6 GeV/c felett) az ALICE TPC (Time Projection Chamber) detektorát használjuk töltött részecskék azonosítására a gazterfogaton athalado reszecskek fajlagos energiavesztesége alapján. A magyar ALICE csoport feladatai közé tartozik az ALICE TPC detektor altal felvett adatokat elemezve a töltött hadronok pT-eloszlásának - es az ebbol származtatott mennyiségeknek - a meghatározása, és ezáltal az ütközésekben létrejövő kollektív effektusok tanulmányozása [4] és minél pontosabb megértése kíserleti fizikai szemszögből [5].

[1] Phys.Rev.Lett. 119 (2017) no.10, 102301
[2] Phys.Rev. C96 (2017) no.3, 034904
[3] PoS DIS2017 (2017) 129
[4] Phys.Lett.B 736 (2014) 196-207
[5] J.Phys. G44 (2017) no.6, 065001