LHCb bada niuanse procesu narodzin cząstek

Gdy przy największych energiach w akceleratorze LHC zderzają się ciężkie jądra atomowe, na niewyobrażalnie krótką chwilę powstaje plazma kwarkowo-gluonowa. To egzotyczny stan materii, w którym kwarki i gluony - w normalnych warunkach uwięzione w protonach czy neutronach - przestają być ze sobą ściśle związane. Stan ten nie jest trwały: wraz ze spadkiem temperatury kwarki i gluony błyskawicznie hadronizują, czyli ponownie się ze sobą wiążą, produkując strumienie rozbiegających się pod różnymi kątami cząstek wtórnych. Szczegóły procesu hadronizacji – zjawiska o krytycznym znaczeniu dla naszego rozumienia fundamentów fizycznej rzeczywistości – wciąż pozostają zagadką.

Nowych wskazówek dostarczyły właśnie zakończone analizy zderzeń z eksperymentu LHCb, zrealizowane z udziałem fizyków z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. O badaniach tych - zaprezentowanych niedawno na łamach czasopisma Journal of High Energy Physics - piszą w przesłanym PAP komunikacie przedstawiciele instytutu.

„Hadronizacja zachodzi w czasach rzędu joktosekund, czyli bilionowych części jednej bilionowej sekundy, na odległościach o rozmiarach femtometrów, czyli milionowych części jednej miliardowej metra - tłumaczy współautor artykułu prof. dr hab. inż. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN), cytowany w komunikacie. - Zjawisk zachodzących tak ekstremalnie szybko i w tak mikroskopijnych skalach jeszcze długo nie będziemy potrafili obserwować bezpośrednio – a być może nawet nigdy. O tym, co się dzieje z plazmą kwarkowo-gluonową, próbujemy więc wnioskować przyglądając się pewnym szczególnym korelacjom kwantowym między cząstkami wyprodukowanymi w zderzeniach. Takie analizy prowadzimy od lat, wraz ze wzrostem ilości przetworzonych danych stopniowo budując coraz dokładniejszy obraz zjawiska”.

Na czym polegają korelacje kwantowe? W mechanice kwantowej do opisu cząstek używa się funkcji falowych. Jeśli w badanym układzie znajduje się wiele cząstek, ich funkcje falowe mogą się nakładać. Analogicznie jak w przypadku zwykłych fal, dochodzi wówczas do interferencji. Gdy w jej wyniku funkcje falowe się wygaszają, mówi się o korelacjach Fermiego-Diraca, jeśli się wzmacniają – o korelacjach Bosego-Einsteina. Właśnie te ostatnie korelacje, charakterystyczne dla cząstek identycznych, przykuły uwagę naukowców.

Badacze skoncentrowali się na korelacjach Bosego-Einsteina pojawiających się między parami pionów, czyli mezonów pi. Analizy podobnego typu były już prowadzone na danych z innych detektorów działających przy akceleratorze LHC, lecz dotyczyły wyłącznie cząstek rozbiegających się z punktu zderzenia pod dużymi kątami. Tymczasem wyjątkowa budowa detektora LHCb pozwoliła fizykom po raz pierwszy przyjrzeć się cząstkom emitowanym „do przodu”, pod kątami odchylonymi od kierunku pierwotnej wiązki o nie więcej niż kilkanaście stopni. Otrzymane wyniki dopełniają więc obraz zjawiska zbudowany dzięki pomiarom w pozostałych eksperymentach przy LHC.

Wybór kierunku „do przodu” nie był jedynym novum. Analizę wykonano dla tzw. małych systemów, czyli dla zderzeń proton-proton, proton-jon oraz jon-proton (dwa ostatnie przypadki nie są identyczne, ponieważ w jednym przypadku z dużą prędkością porusza się tylko jeden proton, podczas gdy w drugim jądro składające się z wielu protonów i neutronów). Naukowcom chodziło m.in. o zdobycie informacji, czy zjawiska kolektywne obserwowane w zderzeniach jądro-jądro, związane z plazmą kwarkowo-gluonową, mogą się pojawiać także w kolizjach mniejszych układów cząstek.

“Ponieważ wszystkie zderzenia zostały zarejestrowane za pomocą tych samych detektorów i w tych samych warunkach, mogliśmy łatwo sprawdzać, czy nasze korelacje zmieniają się w różnych konfiguracjach kolidujących układów cząstek” - mówi prof. Kucharczyk.

Wszystko wskazuje na to, że plazma kwarkowo-gluonowa może powstawać w LHC nawet w kolizjach pojedynczych protonów. Źródła emisji cząstek wtórnych w zderzeniach proton-proton wydają się być przy tym mniejsze niż w zderzeniach mieszanych. Zauważono także istnienie ciekawej zależności między korelacjami a kątami względem osi wiązki cząstek wyprodukowanych w zderzeniach.

„Obserwacja korelacji w małych systemach wywołała dyskusję na temat ich pochodzenia. W szczególności intrygujące jest pytanie, czy mają one to samo źródło co w zderzeniach ciężkich jonów, a co za tym idzie, jakie właściwie warunki są potrzebne do wytworzenia plazmy kwarkowo-gluonowej? Niektóre z obecnych modeli tej plazmy zakładają występowanie w niej zjawisk kolektywnych, związanych z przepływami. Rezultaty naszych analiz wydają się być bliższe właśnie takim modelom hydrodynamicznym” - dodaje prof. Kucharczyk.

Tylko czy w trakcie hadronizacji rzeczywiście mamy do czynienia z przepływami plazmy kwarkowo-gluonowej? W komunikacie wyjaśniono, że obecnie istniejące modele teoretyczne zjawiska trzeba kalibrować za pomocą danych otrzymywanych z eksperymentów. Mimo to żaden z modeli nie potrafi odtwarzać wyników pomiarów z zadowalającą dokładnością. “Wygląda więc na to, że nim poznamy prawdziwą naturę procesów zachodzących w plazmie kwarkowo-gluonowej, fizyków czeka jeszcze wiele pracy” - czytamy w komunikacie.

Badania po stronie polskiej sfinansowano ze środków Narodowego Centrum Nauki.

LHCb (ang. Large Hadron Collider beauty) jest jednym z siedmiu eksperymentów używających detektorów cząstek elementarnych do gromadzenia danych w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN. Wspólnota LHCb, składa się z ponad 1000 osób z ponad 70 instytutów naukowych, reprezentujących 16 krajów, w tym Polskę.

Nauka w Polsce

lt/ bar/