A japán RIKEN (Fizikai és Kémiai Kutatások Intézete) központ Interdiszciplináris Elméleti és Matematikai Tudományos Programjának kutatója, Takuya Sugiura csapatával évek óta dolgozik azon, hogy a korai univerzum történéseinek rejtélyeire magyarázatot találjon: azt kutatják, hogy a szubatomi részecskék hogyan álltak össze az ősrobbanás után a ma ismert formációkká.

Az univerzum kezdete

Ahogy azt Fodor Zoltán, az ELTE TTK Elméleti Fizika Tanszékének professzora 2006-ban egy másik áttörő jelentőségű kutatás kapcsán elmondta: az univerzum kezdeti időszakában

"a kvarkok és gluonok majdnem tömegtelen, majdnem szabad gáza a világegyetem tágulása és hűlése során összetett részecskékké kondenzálódott.

Ezen részecskék (protonok, neutronok) alkotják a ma is látható világegyetem tömegének a túlnyomó többségét."

A protonok és neutronok (nukleonok) úgynevezett barionok, amelyek a hadronok egyik csoportját alkotják, ezek a szubatomi részecskék három könnyebb kvarkból állnak össze: a proton két fel és egy le kvarkból, a neutron egy fel és két le kvarkból áll. A barionoknak vannak nehezebb típusai is, amelyek az omega nevet kapták és, noha sokkal ritkábban megfigyelhetőek, mint a neutronok és protonok, már bizonyították kísérletekben a létezésüket. Az első ilyen omega-mínusz barion furcsa kvarkokból állt és 1964-ben akadtak először a nyomára. Azóta számos más, nehezebb összetevőt tartalmazó, például bájos kvarkokból felépülő omega részecskét találtak, bár a legnehezebb, top kvarkokból álló egységek felfedezésére nem számítanak a tudósok, mivel annak rendkívül rövid élettartama nem adna lehetőséget arra, hogy egy másik kvarkkal kapcsolatot létesítsen, igaz, hogy a pillanat törtrésze alatt bekövetkező bomlás a többi részecske esetében is fennáll. A Fermilab munkatársainak mérése szerint például az általuk megfigyelt Omega-sub-b élettartama mindössze 1,13 billiomod másodperc.

A dibarionok titkos élete

A barionok azonban csak az alapvető egységeket jelentik, amelyből kialkulnak összetettebb szerkezetek is. A két barionból felépülő dibarionok csoportjába az eddigi vizsgálatok szerint egyetlen olyan részecske tartozik, amely stabil állapotú, ez a deutérium, a hidrogén izotópja, amelynek atommagja egy protont és egy neutront tartalmaz. A többi dibariont csak egy-egy futó pillantás erejéig sikerült elkapni a kutatóknak a korábbi kísérletek során, pedig a megfigyelésük lehetőséget adna rá, hogy a kvarkok kötődéséről és ezáltal az anyag kialakulásáról alapvető információkhoz jussanak a fizikusok - mondta a RIKEN kísérlete kapcsán Takuya Sugiura.

Ha nem sikerül a való életben közelebb kerülni ezekhez a tünékeny egzotikus részecskékhez, akkor kerülő úton kell eljutni a tanulmányozásukig, erre a kutatócsapat a kvantum-színdinamika elméletét hívta segítségül és két szuperszámítógépet, a K-Computert és a HOKUSAI-t. A K-Computer 2011-ben a maga 8 petaflops teljesítményével az első helyen végzett a világ legerősebb szuperszámítógépeit felsoroló listán, a HOKUSAI ettől némileg lemaradva 2015-ben a 69-ik helyet szerezte meg. A kvantum-színdinamika a hadronok erős kölcsönhatását írja le, de a számítások bonyolultsága miatt az egyenletek megoldását csak a szuperszámítógépek képesek elvégezni és ehhez is rengeteg időre van szükség. Megint csak Fodor Zoltánt idézve, aki csapatával szintén a színdinamikára alapozta az elemzéseit:

"[...] a feladat számolásigénye óriási. Másodpercenként ezer milliárd művelet elvégzésére van szükség, és még így is egy egész évig tartanak ezek a számolások."

A RIKEN vizsgálatai során nem csak egy éven, hanem éveken keresztül tartott, mire eredményre jutottak a gépek, és végül megjósolták a bájos di-Omegának elnevezett részecske létezését. Ez az egzotikus elem összesen hat kvarkból áll, ezek mindegyike bájos kvark, vagyis mindkét (három-három bájos kvarkot tartalmazó) barion Omega részecske. A di-Omegáról már korábban is beszámoltak a fizikusok, először 2018-ban, de ekkor még furcsa kvarkokból állt a megjósolt részecske, majd további számítások elvégzése után idén augusztusban közzétették a részletes tanulmányt is az újabb vizsgálatokról a Physical Review Lettersben.

A kutatók szerint az eredmények bizonyítják, hogy a dibarionok kutatása a szuperszámítógépek segítségével sikeres lehet, és új utat nyit meg a modern fizika alapvető problémájának tisztázása felé, vagyis közelebb hozza annak megértését, hogy a kvarkok hogyan kombinálódnak anyaggá. A továbbiakban a világ leggyorsabb komputerén, a Fugaku szuperszámítógépen folytatják majd a kísérleteket, amelynek során a bájos di-Omegánál bonyolultabb struktúrájú dibarionokat keresnek majd.

(Fotó: RIKEN/Keiko Murano, Wikimedia Commons, Getty Images/gremlin)