Az ALICE kísérleti együttműködés legújabb eredményeinek köszönhetően a kutatók közelebb jutottak a hadronok közötti erős kölcsönhatás megismeréséhez, ugyanis a Nature-ben december 9-én megjelent friss tanulmány szerint először sikerült pontosan meghatározniuk a protonok és ritka omega-részecskék (Ω) közötti kölcsönhatást. Ez az eredmény a csillagászati kutatásokban is új távlatokat nyithat meg, hiszen egy újabb lépéssel közelebb visz ahhoz, hogy a szupernóva-robbanások után visszamaradt pulzárok szuper sűrű, hideg maganyagát tudják vizsgálni a kutatók, az ugyanis közvetlen megfigyeléssel nem lenne lehetséges. Az áttörésnek köszönhetően olyan új elméleti modelleket dolgozhatnak ki a fizikusok, amelyek segítségével később sokcsatornás asztrofizikai módszerekkel – gravitációs hullámokkal, gamma- és rádióteleszkópokkal – hiperoncsillagokra utaló jeleket kereshetnek.

Művészi ábrázolás az ALICE-kísérlet legújabb eredményéről, egy Ω− hiperon (balra) és egy proton (jobbra) kölcsönhatásáról (Forrás: CERN)

De mik azok a hiperonok? Az atommagok protonjait és neutronjait kvarkok építik fel. A három kvarkból álló részecskéket barionnak nevezzük: a protont például két u- (up) és egy d- (down) kvark, a neutront pedig két d- (down) és egy u- (up) kvark alkotja.

A barionok szerkezete: a proton (uud) és a neutron (udd)

A kvarkok azonban hatfélék lehetnek. Ezek a könnyebb kvarkoktól a nehezebbek felé haladva: u (up/fel), d (down/le), s (strange/ritka), c (charm/bájos), b (bottom/alsó), t (top/felső). Az erős kölcsönhatást leíró elmélet, a kvantum-színdinamika szerint a kvarkok önmagukban nem megfigyelhetők, csak hadronokba bezárva, amelyek lehetnek pl. barionok, antibarionok vagy mezonok.

A kvarkok típusai: felül a könnyű u- és d-kvarkok, alul a nehezek: s,c,b,t

A Nagy Hadronütköztetőben egyre nagyobb és nagyobb energiájú ütközéseket tudnak létrehozni, amelyek során így egyre több nehezebb kvark jelenik meg. Ezekből – rövid időre – nehezebb barionok, úgynevezett hiperonok is keletkezhetnek. Hiperonokban már nem csak u- és d-kvarkok, hanem azoknál nehezebb s-kvarkok is  lehetnek. Ilyen például a görög nagybetűkkel írt lambda Λ0 (uds), a kaszkád Ξ(dss) vagy az omega Ω (sss). (Bájos barionnak nevezzük a c-kvarkot tartalmazó barionokat.)

Az omega Ω− (sss) hiperon

A nagyenergiás mag- és részecskefizika egyik legfontosabb kérdése ma az, hogy milyen kölcsönhatásban vannak a különböző kvarkokból álló hadronok, például a barionok és hiperonok, vagy a hiperonok és a bájos barionok között. Különösen fontos kérdés, hogy milyen hatásmechanizmus működik a nehezebb kvarkok, illetve a belőlük felépülő speciális, nehezebb barionok között.

A hiperonokkal való kölcsönhatást többek között azért is nehéz megmérni, mert ezek a részecskék nem sokkal a keletkezésük után elbomlanak. Ezt a fontos, a bomlás előtti pillanatot sikerült most elcsípni a CERN ALICE detektorának segítségével, amely a protonok és az Ω részecskék közötti kölcsönhatást mérte meg az Ω elbomlása előtt. Erről bővebben a Nature szaklapban olvashatunk (arXiv:2005.11495). De vajon miért ennyire érdekes ez az eredmény?

Az ALICE-kísérlet az Ősrobbanást (Big Bang) követő milliomod másodpercekben létrejött anyagot, az úgynevezett kvark-gluon plazmát kutatja. Ez a forró, sűrű anyag egykor szimmetriát mutatott abban a tekintetben, hogy egyformán tartalmazta a lehetséges kvarkfajtákat. A mai kihűlt univerzumban azonban csak a legkönnyebb u- és d-kvarkokból álló barionos anyagot láthatjuk – elvétve találunk csak hiperonokat. Azonban mind ez idáig nem volt bizonyított, hogy stabilan létezhet-e hiperonos, s-kvark-tartalmú anyag a mai Világegyetemben.

Az ALICE kísérleti berendezés a CERN-ben, szétszerelt állapotban, 2020 júliusában (Forrás: CERN)

„A mai tudásunk szerint hiperonok előfordulhatnak a szupernóva robbanások után visszamaradt pulzárok szuper sűrű, hideg maganyagában, azonban ezek direkt megfigyelése nem lehetséges. A hiperoncsillagok, vagy más néven ritkaságtartalmú csillagok modellezéséhez pontosan ismerni kellene a részecskék közötti kölcsönhatást, hogy precízebb elméleti modelleket készíthessünk. Ha ez sikerül, akkor például a sokcsatornás asztrofizikai megfigyelésekkel, azaz például gravitációs hullámokkal, gamma- és rádióteleszkópokkal hiperoncsillagokra utaló jeleket kereshetünk” – mondja dr. Barnaföldi Gergely Gábor, az ELKH Wigner FK Nehézion-fizikai Kutatócsoportjának vezetője, aki maga is tagja az ALICE kísérleti együttműködésnek.

Az elméleti számolások által megjósolt, különböző központi összetétellel rendelkező neutroncsillagok bemutatása (A külső héjak – az ábrán a piros, és kék sávok – minden esetben azonosak)

„A jelen eredmény több szálon is kapcsolódik a Wigner Fizikai Kutatóközponthoz” – fejti ki a kutató. – „Egyrészt a Nehézionfizika kutatócsoportban elméleti modelleket dolgozunk ki a pulzárok belső szerkezetének a megértésére, emellett a Magyar ALICE Csoport kísérleti kutatás-fejlesztései – az adatgyűjtő rendszer (DAQ), az időprojekciós kamra (TPC) és a belső nyomkövető rendszer (ITS) fejlesztései – jelentősen hozzájárultak ahhoz, hogy az ALICE kísérleti berendezésben ki tudják mérni a barion- és hiperonrészecskék közötti kölcsönhatást.”

Hiperoncsillag elképzelt művészi ábrázolása (Maciej Rebisz, Quanta Magazine)