Hírek

Magyar kutatók a PHENIX nevű nagy nemzetközi kísérlet adataira alapozva, közvetett módon megfigyelték, hogy egy különleges részecske, az η’ (éta-vessző) mezon szokatlanul nagy tömege forró és sűrű hadronanyagban lecsökken, hasonlóvá válik részecskecsaládja tagjainak tömegéhez: egy régóta keresett szimmetria helyreállt. Az eredményt a PHENIX kísérlet által mért Lévy típusú Bose-Einstein korrelációs függvények és a magyar kutatók által végzett modellszámítások összevetéséből, közvetett módszerekkel, 15 éves kutatómunka eredményeként kapták, a szakma szigorú szabályai szerint közölték és számos nemzetközi konferencián meg is vitatták a MATE Műszaki Intézet Femtoszkópiai Laboratóriumának kutatói. A legszigorúbb bírálatok az eredményt a 2025 novemberében Gyöngyösön, a MATE Károly Róbert Campusán tartott Femtoszkópiai Napok konferencián érték, ahol az ELTE kutatói (Kovács László és Árpási Emese fizikusok, doktorandusz hallgatók) más lehetséges elméleti magyarázatot is felvetettek, jelezve, hogy ennek a közvetett módszerekkel elért eredménynek további vizsgálata szükséges, mind közvetlen kísérleti módszerekkel, mind hitelesített elméleti modellekkel.

 

A nagyenergiás gyorsítóknál – mint a Szuper Protonszinkrotron (SPS), a Relativisztikus Nehézion-ütköztető (RHIC) és a Nagy Hadronütköztető (LHC) – végzett kísérleteknek az utóbbi évtizedekben gyűjtött adatai arra utalnak, hogy ultrarelativisztikus nehézion-ütközések során, a Kis Bummokban az atommagok anyaga megolvad, és egy közel tökéletes kvarkfolyadék alakul ki. Ez az ember által mesterségesen előállított legforróbb anyag. A Nagy Bumm, azaz az Ősrobbanás utáni első néhány milliomod másodpercben ilyen anyag töltötte ki az egész Világegyetemet. Ez a forró kvarkleves a Kis Bummokban és a Nagy Bummban is kitágul, emiatt lehűl, felveszi hétköznapibb, ma ismert formáját.

Az amerikai RHIC gyorsító kísérletei (a BRAHMS, a PHENIX, a PHOBOS és a STAR) 2005-ben összefoglaló cikkekben közölték, hogy a RHIC arany-arany atommag ütközéseiben egy olyan, korábban nem látott, új jelenséget figyeltek meg, ami egy új anyag jelenlétével magyarázható. Meghatározták azt is, hogy ez az új anyag az elméleti jóslatoktól eltérő módon nem gázként, hanem közel tökéletes folyadékként viselkedik. 2007-ben a PHENIX kísérlet kimutatta, hogy ebben az anyagban nem a protonok és nem is a neutronok, hanem a hadronok elemi építőkövei, azaz maguk a kvarkok folynak. A kvarkok színesek: az erős kölcsönhatáshoz tartozó, úgynevezett „színtöltéssel” rendelkeznek. A kvarkokkal szemben a protonokból és a neutronokból, illetve a további, kísérletileg megfigyelt, erősen kölcsönható részecskékből álló anyag, a hadronanyag fehér, azaz „színsemleges”. Noha a PHENIX kísérlet nem vonja le eredményeiből a szín szabadsági fokok kiszabadulásának következtetését, mivel azt nem figyelte meg közvetlenül, a PHENIX megfigyeléséből és abból az elméletileg ismert tényből, hogy a kvarkok színesek, a közel tökéletes és színes kvarkfolyadék megjelenése logikailag kikövetkeztethető. A PHENIX  eredményét a RHIC gyorsító STAR kísérlete megerősítette 2013 során, és jelezte, hogy a kvarkok számával skálázott elliptikus folyás csökkenő ütközési energiával egyre növekvő különbséget mutat a részecskék és az antirészecskék között, jelezve, hogy küszöb alatti energiákon a tökéletes kvarkfolyadék nem jön létre. Ezért a tökéletes kvarkfolyadék kísérleti felfedezéséből az elméletileg már az 1980-as években megjósolt szín-kiszabadulás megfigyelése közvetett módon ugyan, de logikailag egyértelműen következik: Elméletileg tudjuk, hogy a kvarkok színesek, és ha a kísérleti adatokból világosan látszik, hogy a folyás kvark szinten valósul meg, akkor színes kvarkok folynak. Ez a RHIC kísérleteiben megfigyelt ősi-új anyag első formájának felel meg.

 

A PHENIX kísérletben, közel 15 évig végzett részletes adatelemzés végére érve, az egyik részecske, az η’ (éta-vessző) mezon forró és sűrű hadronanyagban történő tömegcsökkenésére 2024 végén találtak jelet a Lökös Sándor (MATE) által vezetett kutatócsoport tagjai. Ez a részecske a korábbi, hideg környezetben végzett mérések szerint a részecskecsaládja tagjainál közel kétszer nagyobb tömegű. Az új, közvetett módszerekkel, az elméleti számítások és a PHENIX mérési eredmények összevetésével kapott eredmények szerint a nagy hőmérsékletű közegben, de a színeket még bezáró hadronanyagban az η’ mezon ikertestvéréhez, azaz az η mezonhoz hasonló tömeggel keletkezik – egyfajta tékozló bozonként tér vissza részecskefizikai családja körébe. Ezzel egy elméletileg már az 1980-as években megjósolt szimmetria helyreállt: a 2025-ös Femtoszkópiai Napok eredményei szerint a második, elméletileg várt átmenet közvetett jeleit is megfigyelték a PHENIX kísérlet magyar kutatói.

 

Ez az új PHENIX eredmény magyar kutatók korábbi módszertani kutatásaira, és a PHENIX kísérlet precíz új adataira is épül. Magát a Bose-Einstein korrelációs módszer használatát a szimmetria helyreállás kutatására 1998-ban javasolta, két amerikai elméleti kutatótársával, S. Vance (Columbia) és D. Kharzeev (BNL) fizikusokkal együtt Csörgő Tamás, a MATE Femtoszkópia Laboratóriumának vezetője. Elméleti számítások segítségével kimutatták, hogy egy bizonyos U_A(1) nevű szimmetria, azaz az η’ és az η mezonok tömegeinek egyenlővé válása alacsonyabb energián, a CERN SPS √s_NN = 19.6 GeV-es S+Pb (kén+ólom) ütközéseiben még nem áll helyre. A STAR és a PHENIX publikált adatainak újra elemzésével 2010-ben kimutatták, hogy az η’ mezon tömege a fehér és forró hadronanyagban legalább 200 MeV-vel csökken, legalább 99,9 %-os biztonsággal. Korábbi PHENIX szakcikkben 2018-ban kimutattták, hogy a 0-30 % centralitás osztályú Au+Au ütközésekben, a RHIC gyorsítóban elérhető legmagasabb √s_NN = 200 GeV-es energiákon a pion-párok Lévy-stabil Bose-Einstein korrelációnak mérése érzékeny a közegbeli η’ tömegcsökkenésre. Az új PHENIX cikk alapja a pion-párok Lévy-stabil Bose-Einstein korrelációs függvények részletes és centralitás függő vizsgálata a RHIC gyorsító Au+Au ütközéseiben. Ezen pionok egy része az η’ mezonok bomlásából származik, ezek egyfajta udvart vagy glóriát hoznak létre a fehér és forró hadronanyagból álló tűzgömb körül, csökkentve a két-pion Bose-Einstein korrelációs függvények erősségét.

 

Az ELTE, a HUN-REN Wigner Kutatóközpont és a MATE Műszaki Intézet Femtoszkópia Laboratórium kutatói által közösen előkészített, a RHIC gyorsító PHENIX kísérlete által jegyzett cikket az Amerikai Fizikai Társulat (APS) által kiadott, rangos Physical Review C folyóirat közölte, és a cikk fontosságát jelezve, azt szerkesztői kiemelésben részesítette.

 

A teljes szakcikk itt olvasható. A PRC szerkesztői ajánlása pedig ezen az oldalon tekinthető meg.

 1. ábra: Li Keran, a kínai művészeti akadémia elnökének festménye, a nehézion-ütközések fizikájának a jelképe. Copyright: © 1989 CCAST: Chinese Center for Advanced Science and Technology és © 2012 Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, Kína: minden jog fenntartva. Köszönjük az  UNT Digital Library szíves közreműködését!

Az 1. ábrán látható kínai írás a kínai származású Nobel-díjas amerikai fizikus, T.D. Lee verse 1989-ből, Csörgő Tamás fizikus, az Európai Akadémia tagja fordításában:

Nehézion-ütközések

– szilaj bivaly türkölések –

új Ősanyag gerjesztések.

A fizikai Nobel-díjas T.D. Lee verse több szempontból is zseniális: nemcsak a vers-kép, illetve kép-vers ereje, hanem a benne foglalt jóslat ereje miatt is, tükörképként magyarra fordítani szinte lehetetlen. Tudományos eredményünkhöz kapcsolódva kiemeljük, hogy ez a vers átváltozásokról, az anyag új formáinak, új kollektív gerjesztett állapotainak a létrehozásáról ír: azaz nem csupán egy, hanem több, azaz legalább két átváltozást, legalább két új anyagformát jósolt meg 1989-ben. A RHIC gyorsító építésének javaslata 1984-ben szintén legalább két új anyagforma megfigyelését tervezte

Az első átmenetet, azaz az erős kölcsönhatás szín-szabadsági fokainak, a színes kvarkoknak a kiszabadulását, illetve ennek első jeleit már 2000 során jelezhette a CERN, a perdöntő megfigyeléseket pedig a négy RHIC kísérlet 2005 körül tette. A második átváltozást azonban csak közvetett módszerekkel, és csak 2024 decemberétől tudták megfigyelni a magyar kutatók a PHENIX-ben, nagy nemzetközi együttműködésben, a RHIC gyorsító Au+Au ütközéseiben. A második új anyagformára a 2025-ös novemberi Femtoszkópia Napjai konferencián vethették az első pillantásokat a magyar kutatók, számos magyar kutatók által tartott különböző hazai és külföldi szakmai konferencia előadás-sorozat zárásaként. Eredményeinket a következő nemzetközi szakmai rendezvényeken mutathattuk be a PHENIX kísérlet tagjaiként:

• XIII-th ICNFP 2024 konferencia, Görögörszág, 2024 augusztus, Csörgő Tamás
• New Trends in High Energy and Low-x Physics, Románia, 2024 szeptember, Lökös Sándor,
• Recent Advances in High Energy QCD, Budapest, 2024 október, Csörgő Tamás,
• Zimányi Winter School on Relativistic Heavy Ion Physics, Budapest, 2024 december, Lökös Sándor,
• 59th QCD Moriond conference, Olaszország, 2025 április, Csörgő Tamás,
• XIV-th ICNFP konferencia, Görögország, 2025 augusztus. Novák Tamás,
• 53rd ISMD konferencia, Görögország, 2025 szeptember, Csörgő Tamás,
• 11th Days of Femtoscopy konferencia, Gyöngyös, 2025 november, Novák Tamás.

Eredményük a konferencia összefoglaló előadásába is bekerült a 2025 áprilisában tartott rangos 59.  Rencontres de Moriond: QCD 2025 konferencián, Olaszországban.

A PHENIX kísérlet cikkét 5 földrész 15 országának 76 kutatóhelyéről 402 kutató jegyezte, köztük öt magyar intézmény fizikusai:

• Debreceni Egyetem, Debrecen,
• Eötvös Loránd Tudományegyetem, Budapest,
• HUN-REN ATOMKI, Debrecen,
• HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont, Budapest,
• MATE Műszaki Intézet, Femtoszkópia Laboratórium, Gyöngyös.

 

A PHENIX-es cikket az alábbi magyar kutatók készítették elő:

• Lökös Sándor (a szerkesztő bizottság elnöke, PhD, tudományos munkatárs, MATE Műszaki Intézet Femtoszkópia Laboratórium, Gyöngyös)
• Csanád Máté (az MTA Doktora, egyetemi tanár, Eötvös Loránd Tudományegyetem Fizikai Intézet, Atomfizikai Tanszék, Budapest)
• Csörgő Tamás (az Európai Akadémia tagja, kutatóprofesszor, MATE Műszaki Intézet Femtoszkópia Lab, Gyöngyös, és HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont, Budapest)
• Kasza Gábor (PhD, tudományos segédmunkatárs, MATE Műszaki Intézet Femtoszkópia Lab, Gyöngyös, és tudományos munkatárs HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont, Budapest)
• Wesley James Metzger (PhD, címzetes egyetemi tanár, MATE Műszaki Intézet Femtoszkópia Lab, Gyöngyös)
• Nagy Márton (PhD, habilitált egyetemi docens, Eötvös Loránd Tudományegyetem Fizikai Intézet, Atomfizikai Tanszék, Budapest)
• Kincses Dániel (PhD, posztdoktori kutató, Eötvös Loránd Tudományegyetem Fizikai Intézet, Atomfizikai Tanszék, Budapest)
• Novák Tamás (PhD, habilitált egyetemi docens, MATE Műszaki Intézet Femtoszkópia Lab, Gyöngyös)
• Ster András (ny. fizikus, HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont, Budapest)

2. ábra: Az abszolút nulla (-273,15 Celsius) fok közelében az η’ mezon tömege 958 MeV. Ez a tömeg a RHIC Au+Au ütközéseiben keletkező fehér és forró hadronanyagban, közel 2 Tera Celsius fokon lényegesen, közel 40 %-kal lecsökken,  581 MeV-re.

 

 
3. ábra: Az eredmény lényege a Physical Review C szerkesztőinek ajánlását illusztráló ábra alapján. Ez az ábra az η' részecske tömegének csökkenése mellett azt is mutatja, hogy a közvetett módszerekkel, elméleti számítások és PHENIX kísérleti adatok összehasonlítása alapján a fehér és forró hadronanyagban az η’* részecske tömege  az ikertestvér η mezon tömegéhez közelít, nem mond ellent annak a feltételezésnek, hogy egy korábban elveszettnek vélt szimmetria helyreáll.

 

4. ábra: A módosult η’* mezon nem csak az η mezonhoz, hanem részecske-családja többi tagjának tömegéhez is hasonló tömegűvé vált a forró, közel 2 ezer milliárd Celsius fok hőmérsékletű ősanyagban. Tehát az η’* mezon egyfajta tékozló bozonként tért vissza részecskefizikai családja körébe.

A 2. ábra az eredmény lényegét jelképezi. A 3. ábrán a felső fekete pontozott vonal az η’ mezon ismert tömegét, a piros pontozott vonal pedig a tömeg közegbeli csökkenését mutatja. Ez a mérés pontosságán belül az η mezon ismert tömegével egyezik meg, jelezve, hogy a tékozló bozon visszatért. A 4. ábra azt jelzi, hogy a módosult η’_* mezon nem csak az η mezonhoz, hanem részecske-családja több tagjának tömegéhez is hasonló tömegűvé vált a fehér és forró, közel 2 ezer milliárd (2 Tera) Celsius fok hőmérsékletű ősanyagban, a magyar kutatók, Csörgő Tamás és munkatársai elméleti számtásai, valamint a PHENIX kísérlet Bose-Einstein korrelációs mérési adatainak összehasonlítása szerint. Ez a módszer tehát közvetett, nem pedig a közegben módosult h’ mezon közvetlen megfigyelésen alapul. Noha közel 15 éve folyó kutatómunka sikeréről számolhattak be, amelyet nemcsak a gyöngyösi Femtoszkópia Napjai konferencián, hanem számos más vezető szakmai konferencián is bemutattak a magyar kutatók: például Budapesten, Moriondban Olaszországban, Krétán és Korfun, Görögországban is, mégis a módszer indirekt módja és kiemelkedő szakmai színvonala ellenére más, alternatív magyarázatok is lehetségesek: többféle dolognak is lehet ugyanolyan az árnyéka. Az egyik lehetséges alternatív magyarázatot az Eötvös Loránd Tudományegyetem két fiatal fizikus kutatója, Árpási Emese és Kovács László doktoranduszok előadásában vitatták meg.

 

Novák Tamás tanszékvezető, habilitált egyetemi docens (MATE), Kincses Dániel posztdoktori kutató (ELTE), Kovács László és Árpási Emese fizikus doktoranduszok (ELTE) a gyöngyösi 11. Femtoszkópiai Napok konferencián 2025 novemberében.

Eredményünkkel szeretnénk nagyon szépen megköszönni a kutatásainkat finanszírozó valamennyi adófizetőnek a támogatását, Magyarországon és az egész világon is. Kutatásainkat közvetlenül az

• Amerikai - Magyar Fulbright Alapítvány
• Eötvös Loránd Tudományegyetem
• Hungarian - American Enterprise Scholarship Fund
• HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont
• MATE KKP és KKPCs kutatási kiválósági pályázatai
• MTA Bolyai János kutatási ösztöndíj
• MTA-NSF
• NKFIH OTKA (Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal, Kutatási Alapprogramok)
• NKFIH EFOP (Emberi Erőforrás Fejlesztési Operatív Program)
• NKFIH TKP (Tématerületi Kiválósági Program)

programjai, valamint a PHENIX kísérlet működését finanszírozó USA Department of Energy, japán RIKEN és a RIKEN BNL Kutatási Központ, valamint számos nemzetközi tudományfinanszírozó szervezet támogatta. A PHENIX kísérletet támogató valamennyi szervezet felsorolását lásd a cikk végén, illetve az alábbi honlapon: https://www.bnl.gov/rhic/funding.php .

Lezárva Gyöngyösön és Budapesten, 2025. november 27-én.

A kiadvány hiteléül:

Csörgő Tamás, az Európai Akadémia tagja (MATE KRC, Gyöngyös és HUN-REN Wigner FK, Budapest)

és Csanád Máté, az MTA Doktora (Eötvös Loránd Tudományegyetem, Budapest)