Az ütközés menete: kvarkoktól a hadronokig
Az LHC-ban ellentétes irányban mozgó protonnyalábok ütközésekor elképesztően gyorsan, szinte azonnal, bonyolult kölcsönhatások sora játszódik le a protonokat alkotó kvarkok és gluonok között. Ezek a részecskék – köztük pillanatszerűen felbukkanó virtuális részecskék is – interakciójuk során keverednek, majd a rendszer lehűlésével új hadronokká állnak össze, amelyek aztán elrepülnek, és a detektorokkal mérhetővé válnak. Noha első pillantásra a kezdeti állapot sokkal kaotikusabbnak tűnik, az LHC adatai azt mutatják, hogy ez nem így van. A mostanra tökéletesített ütközési modell sokkal pontosabban írja le, mi is történik valójában.
Dipólusmodellek és az entrópia mérésének fejlődése
Kutatók már régóta alkalmazzák az úgynevezett dipólusmodelleket a sűrű gluonrendszerek fejlődésének leírására. Ezekben minden gluon egy kvark–antikvark párossal, szakszóval dipólussal helyettesíthető – ahol a színtöltések a főszereplők. A hadronok ütközés utáni átlagos számából így megbecsülhető az eltávozó részecskék entrópiája. Az utóbbi években a krakkói Nukleáris Fizikai Intézet professzora, Krzysztof Kutak és kollégái továbbfejlesztették ezt a modellt: külön figyelembe vették az alacsonyabb ütközési energiákon jelentkező eltéréseket, kapcsolódási pontokat keresve a komplexitáselmélet és a részecskefizika egyenletei között.
Ezt a korszerűsített modellt pedig a kutatók összevetették az LHC ALICE, ATLAS, CMS és LHCb detektorainak méréseivel, amelyek az eddigi legszélesebb energiatartományt (0,2–13 teraelektronvolt) fedték le. Így sikerült igazolniuk, hogy az új modell pontosabb eredményt ad, mint elődei.
Kvantummechanika az ütközések mögött: az entrópia meglepő állandósága
Ennek ellenére a legnagyobb döbbenetet maga a következtetés keltette: az entrópia – magyarán a rendezetlenség mértéke – szinte változatlan marad az ütközésben részt vevő kvark-gluon fázis és a lehűlés során keletkező hadronok között. Ez megegyezik a Kharzeev–Levin-féle entrópiaformula jóslatával, sőt egyúttal a kvantummechanika egyik legalapvetőbb elvének, az unitaritásnak a közvetlen lenyomata.
Az unitaritás lényege, hogy a kvantumfolyamatokat leíró egyenletekben a teljes valószínűségnek mindig egységnyinek kell maradnia, azaz sem információ, sem valószínűség nem tűnhet el vagy keletkezhet a semmiből. Bár ezt minden fizikus megtanulja, egészen más érzés, amikor az LHC adataiban, a keletkező hadronok szintjén is tetten érhető.
Jövőbeli irányok és újabb lehetőségek
A tökéletesített modell további tesztelése várható a következő években. Az LHC következő fejlesztési fázisának részeként az ALICE detektor is megújul, így még sűrűbb gluonrendszerek vizsgálatára is képes lesz. Nem sokkal később az Egyesült Államokban épülő elektron–ion ütköztető (Electron-Ion Collider) is elindul, amelyben elektronokat ütköztetnek protonokkal. Mivel az elektron elemi részecske, ezek a kísérletek még egyszerűbben feltárhatják, mi zajlik a protonon belül, a sűrű gluonmezőben.
Az eredmények azt sugallják, hogy a kvantummechanika mélyebb törvényszerűségei az univerzum legnagyobb energiájú ütközéseiben is szigorúan őrzik az információt és a rendezetlenség mértékét.
