Az ELTE új Lendület-kutatócsoportja a kvantum-színdinamika (QCD) fontos kérdéseivel foglalkozik, legfőképpen arra keresik a választ, hogy hol van az a kritikus pont, ahol a kvark-gluon plazma - avagy ősleves - és a hadronikus anyag közötti átmenet elér egy speciális fázisba.
A kvantum-színdinamika a részecskefizika fontos elmélete, ami leírja azt az erős kölcsönhatást, ami az atommagokat felépítő alapvető részecskék, a kvarkok és gluonok között fennáll.
Ezek a részecskék a természetben csak kötött formában fordulnak elő, a gluonok “ragasztják össze” a kvarkokat az atomokon belül, de az univerzum születése utáni pillanatokban, az úgynevezett kvark-gluon plazmában a kvarkok még szabadon léteztek, egy nagyon forró és nagyon sűrű anyag építőanyagként.
Ma már ez az extrém anyagi állapot csak a részecskegyorsítókban, például a Nagy Hadronütköztetőben jön létre, ahol ionok ütköztetésével apró “tűzgolyókat” alkotnak, amelyekből rövid időre kialakul a kvark-gluon plazma. A kvark-gluon plazma azonban csak pillanatokig létezik, gyorsan hagyományos anyag válik belőle, amelyben a hadronok dominálnak - a hadronokban (barionok és mezonok) pedig már kötött állapotban vannak a kvarkok és gluonok. Az ősrobbanás utáni ősleves és a hadronikus anyag létrejötte közötti átmenet pontos működésének feltárása izgalmas kutatási területet jelent a kutatók számára, a kritikus pont megtalálása pedig ennek fontos lépcsőfoka lehet.
Az új kutatócsoport, Pásztor Attilának, az ELTE fizikusának vezetésével igyekszik a kritikus pont nyomára bukkanni, és feltérképezni az erősen kölcsönható anyag fázisdiagramját. A kutatóval az ELTE készített interjút a kérdéssel kapcsolatban.
Mi is az a “kvantumszíndinamika kritikus pont”, és miért izgalmas ezt megtalálni?
Az anyag két különböző fázisát általában meg lehet különböztetni valamilyen mérhető tulajdonságuk alapján. Például a folyékony víz sűrűsége nagyobb, mint a vízgőzé. A kritikus pontban ezek a különbségek megszűnnek: a víz kritikus pontja feletti hőmérsékleten és nyomáson a vízgőz és a folyékony víz már nem tekinthető két külön fázisnak.
A kvantumszíndinamika kritikus pontja ugyanezt jelenti, csak épp nem a folyékony és gázfázis között, hanem a kvark-gluon plazma és a hadronikus anyag között. A hadronikus anyag a protonokat és neutronokat tartalmazza, amelyek az atommagokat alkotják, míg a kvark-gluon plazmában ezek építőkövei — a kvarkok és a gluonok — alkotnak egy forró, sűrű folyadékot. Ez az erősen kölcsönható anyag töltötte ki az univerzumot körülbelül egy mikroszekundummal az ősrobbanás után.
Hogyan segítenek a rácstérelméleti módszerek a probléma megértésében?
A kvark-gluon plazma és a hadronikus anyag közötti átmenetet leíró egyenletek már régóta ismertek: ezek a kvantumszíndinamika (QCD) alapegyenletei, amelyek az erős kölcsönhatást írják le. A rácstérelméleti módszer lényege, hogy a teret és az időt diszkrét rácsra helyezzük, majd szuperszámítógépek segítségével kiszámítjuk, hogyan viselkednek a kvarkok és gluonok különböző hőmérsékleteken és sűrűségeken. A rácsot ezután fokozatosan finomítjuk, hogy megkapjuk az elmélet folytonos téridőre vonatkozó jóslatait. Ezt nevezzük kontinuum limesznek.
A fázisdiagram feltérképezéséhez három technikai újítást dolgoznak ki: mitől különleges ez a megközelítés?
Fázisátalakulások vizsgálatakor mindig kulcsfontosságú az ún. térfogati skálázás. Ez azt jelenti, hogy a szimulációkat különböző térfogatokon kell elvégezni, és megfigyelni, hogyan változnak a fizikai mennyiségek a térfogat függvényében. Ezekből a változásokból lehet következtetni az átalakulás természetére. Kritikus jelenségek esetében ez különösen érzékeny kérdés, de az erősen kölcsönható, forró és sűrű anyagnál a térfogat növelése gyorsan rontja a szimulációk jel-zaj arányát. A mi új technikai fejlesztéseink éppen ezt a problémát igyekeznek kezelni.
Mi a legnagyobb elméleti vagy technikai kihívás a projektben?
A legnagyobb nehézség az úgynevezett előjel-probléma. Ez okozza, hogy a szimulációk jel–zaj aránya a térfogat növelésével gyorsan romlik. Az előjel-probléma nemcsak a kvantumszíndinamikában, hanem sok más kvantumrendszer — például a magas hőmérsékletű szupravezetők — szimulációjában is megjelenik. Bizonyos modellekben ez a probléma kezelhető ún. komplex kontúrdeformációs módszerekkel. Kutatásunk egyik fő célja, hogy ezt a megközelítést a kvantumszíndinamikára is kiterjesszük.
Milyen típusú számítási infrastruktúrát igényel a kutatás?
A számításainkat részben a világ különböző pontjain található szuperszámítógépeken végezzük — például az Aurora rendszeren az Egyesült Államokban, a JUWELS-en Németországban, vagy a LUMI-n Finnországban. Ezekhez az erőforrásokhoz nemzetközi pályázatokon keresztül jutunk hozzá, külföldi kollégákkal együttműködve. Emellett az ELTE-n is működtetünk egy saját számítógépklasztert, amely grafikus kártyákon (GPU-kon) alapul. Ez a rendszer főként kereskedelmi forgalomban kapható hardverekből - például játékra szánt videókártyákból - épül fel, de nagy számban és párhuzamosan használva kifejezetten alkalmas tudományos számításokra.
Az interjú további része az ELTE oldalán olvasható.
(Fotó: CERN, Casey Horner /Unsplash)
