Katz Sándorral, az Eötvös Loránd Tudományegyetem egyetemi tanárával, az MTA levelező tagjával „A kvantum-színdinamika kritikus pontja” című kutatásáról beszélgettünk. Katz kutatócsoportjával az Élvonal pályázat egyik nyertese, a témában folytatott kutatásait jelentős összeggel ösztönzi NKFIH által folyósított támogatás.

Katz Sándor egyetemi tanár, ELTE

A Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal által kidolgozott, és első ízben meghirdetett ÉLVONAL kiválósági programban 12 olyan kutatócsoportvezető nyert el egyenként 150 és 300 millió forint közötti, összességében 3 milliárd forint keretösszegű támogatást, amelyet a következő öt évben a kutatócsoportjuk létrehozására vagy bővítésére, és világszínvonalú eredményeket ígérő felfedező kutatási projektjük magyarországi megvalósítására fordíthatnak. A nyertes kutatók egyike Katz Sándor, az ELTE professzora.

„A modern részecskefizika célja, hogy az anyag legalapvetőbb, elemi alkotóinak tulajdonságait és kölcsönhatásait megismerje” – kezdi Katz a beavatást kutatásainak részleteibe. Az atommagok belsejében protonok és neutronon találhatók (gyűjtőnevükön nukleonok), amelyek további elemi részecskékre bonthatók, ha elég nagy energiájú elektronokkal bombázzuk őket: ekkor felszabadulnak az úgynevezett kvarkok, amelyből ma a fizikusok hat típust különböztetnek meg. A kvarkok csak nukleonok és más összetett részecskék belsejében fordulnak elő, szabad kvarkok nincsenek a természetben.

Amikor felfedezték ezeket a pontszerű részecskéket, felmerült a kérdés, hogy mi és hogyan tartja ezeket az atommagok belsejében. Ezért egy másik elemi részecske, az úgynevezett gluon a felelős, amely (ahogy nevének eredete is innen származik) „összeragasztja” ezeket a kvarkokat a nukleonok belsejében. „Nagyon leegyszerűsített képben úgy kell elképzelni, mintha a gluonok egyfajta gumiszálként funkcionálnának a kvarkok között, ami megakadályozza, hogy azokat eltávolítsuk egymástól.” Viszont ha a kvarkokat közelítik egymáshoz, akkor a kölcsönhatás erőssége csökken: ezt használják ki az LHC-ban és más nagy részecskeütköztetőben. Ha nagyon nagy energiával ütköztetnek részecskéket, a kvarkok szinte kölcsönhatás nélkül ütköznek egymáson, a érzékelőkkel pedig észlelni tudják ezeket a nagyon rövid kirepüléseket. A nagy energiának és hőmérsékletnek köszönhetően ilyenkor nagyon rövid ideig létrejön az úgynevezett kvark-gluon plazma, amely tulajdonságainak megismerése többek között közelebb visz minket ahhoz is, hogy megismerjük az univerzum születésének első pillanatait.

„A részecskefizika pontosan definiálja azokat az egyenleteket, melyekkel a különböző jelenségek leírhatók, de ezeknek az egyenleteknek a megoldása nem mindig egyszerű. Analitikus megoldást csak nagyon kevés esetben ismerünk, kvark- gluon plazma kialakulásának és tulajdonságainak vizsgálatára sajnos nincs is ilyen egyszerű módszer.”

A kvarkok és gluonok kölcsönhatásait a kvantum-színdinamika (QCD) írja le. A részecskefizikában a részecskéket mezőként írják le, és a klasszikus fizikával ellentétben nem egyetlen pálya mentén mozog a részecske, hanem minden lehetséges pályán egyszerre. Ahhoz, hogy helyes választ kapjanak a kérdéseinkre, minden lehetséges pályára összegezni, integrálni kell. Itt hívják segítségül az úgynevezett rácstérelméletet, amelynek alapja, hogy a teret és az időt diszkrét pontokra osztják fel, a pontokban integrálszámításokkal kiszámíthatják a részecskék különböző tulajdonságait. Minél sűrűbben vannak ezek a mérési pontok, annál pontosabb eredményeket kapnak, ám annál több erőforrást is igényel a számolások elvégzése.

Grafikus kártyák hozták az áttörést

Ezekhez a számolásokhoz szuperszámítógépek erőforrásait használják. “Az ELTE-n 1998-ban állították üzembe az első szuperszámítógépet, akkoriban 32 PC-ből állt” - emlékszik vissza Katz. A óriási erőforrásigényre a megoldás váratlan területről, a leginkább számítógépes játékok által életre hívott fejlett grafikus kártyákkal érkezett, melyek grafikus processzorai (GPU) nagyon jól használhatók párhuzamos rácstérelméleti számításokra is. “Az ELTE Elméleti Fizika Tanszékén felépített GPU klaszter 176 darab számítógépben 352 db GPU-t tartalmaz. A QCD megoldásakor ennek a rendszernek a számítási kapacitása eléri a 30Tflop per másodperces sebességet, vagyis 30 billió lebegőpontos műveletet másodpercenként.

A kutatás során az első fontos megválaszolandó kérdés az volt, hogy hogyan történik a hadronok és a kvark-gluon plazma közti átmenet. Az eredmények azt mutatják, hogy a QCD-ben nincs elsőrendű fázisátmenet (azaz nem történik olyan hirtelen, adott ponton történő változás az anyag tulajdonságaiban, mint például amikor a víz megfagy), hanem csak folytonos, crossovernek nevezett átalakulás. Sikerült azt is kimutatni, hogy ez az átmenet 1 900 000 000 000 °C környékén megy végbe.

A kutatók előtt rengeteg munka áll még, rengeteg olyan speciális eset van világegyetemben, amikor a fent leírt összefüggések megváltoznak. „Az összes eddig említett eredmény arra az esetre vonatkozik, amikor azonos számban vannak kvarkok és antikvarkok. Ha az antirészecskékhez negatív sűrűséget rendelünk, akkor az ilyen rendszert nulla sűrűséggel jellemezhetjük. A korai világegyetemben ez jó közelítéssel teljesült.” Viszont például neutroncsillagok belsejében és alacsony energiás ütközéseknél a sűrűség nem nulla, vagyis a kvarkok és antikvarkok száma nem egyenlíti ki egymást, így teljesen más módszert kellene alkalmazni, amely felfedezése ma a kutatócsoport legkomolyabb kihívása.