Search the Community

W Thomas Jefferson National Accelerator Facility dokonano pierwszych w historii pomiarów gluonów wewnątrz jądra atomowego. To duży krok w kierunku poznania rozkładu pola gluonowego (pola Yanga-Millsa) wewnątrz protonu, cieszy się jeden z członków zespołu badawczego, profesor Axel Schmidt z George Washington University. Jesteśmy na pograniczu wiedzy o „kleju atomowym”. W zasadzie nic o tym nie wiemy, więc przydatna jest każda nowa informacja. To jednocześnie niezwykle ekscytujące i bardzo trudne, dodaje profesor Or Hen z MIT. Gluony to cząstki elementarne pośredniczące w oddziaływaniach silnych. Są „klejem” zlepiającym kwarki, z których powstają protony i neutrony. Z wcześniejszych badań wiemy, jaki jest rozkład gluonów w swobodnych – niezwiązanych w jądrze atomowym – protonach i neutronach. Nie wiemy jednak, jak wygląda on, gdy protony i neutrony znajdują się wewnątrz jądra. Tymczasem na początku lat 80. XX wieku zauważono, że kwarki wewnątrz protonów i neutronów znajdujących się w jądrze atomowym poruszają się wolniej, niż kwarki w swobodnych nukleonach. To zdumiewające zjawisko, nazwane efektem EMC, nie zostało dotychczas wyjaśnione. Naukowcy, którzy chcą się o nim więcej dowiedzieć, badają gluony podobnie, jak badają kwarki. Jednak pomiar rozkładu elektrycznie obojętnych gluonów jest daleko trudniejszy, niż posiadających ładunek kwarków. Naukowcy z Jefferson Lab przyjrzeli się gluonom i kwarkom, wykorzystując w tym celu mezon J/ψ, czyli czarmonium. Cząstkę tę można uzyskać ostrzeliwując protony i neutrony fotonami. Czarmonium szybko rozpada się na elektron i pozyton. Wykrywanie par elektron-pozyton pozwala obliczyć, ile mezonów J/ψ powstało. Jako że w skład czarmonium wchodzi kwark powabny, którego nie ma w żadnym z nukleonów, wiadomo, że czarmonium powstaje w wyniku interakcji fotonu z gluonem. Żeby uzyskać czarmonium w wyniku ostrzeliwania swobodnych protonów fotonami – co wcześniej robiono już w Jefferson Lab – trzeba wykorzystać strumień fotonów o dużej energii, co najmniej 8,2 GeV (gigaelektronowoltów). Jednak autorzy najnowszych badań otrzymali czarmonium korzystając z fotonów o mniejszych energiach. Było to możliwe dzięki temu, że jako cel wykorzystali jądra deuteru, helu i węgla. Nukleony w jądrach atomowych, w przeciwieństwie do swobodnych nukleonów używanych jako cel stacjonarny w badaniach, poruszają się. Doszło więc do połączenia energii kinetycznej poruszającego się nukleonu z energią kinetyczną fotonu, która była poniżej wymaganego minimum, co w rezultacie dało energię powyżej minimum, wystarczającą do powstania czarmonium. Dzięki takiemu rozwiązaniu uczeni z USA stali się pierwszymi, którzy zbadali fotoprodukcję mezonu J/ψ poniżej minimalnej energii fotonów wymaganej przy stacjonarnym protonie. A ponieważ ich celem były atomy, mierzyli w ten sposób gluony w protonach i neutronach znajdujących się w jądrze atomowym. Podstawowa trudność w przeprowadzeniu takiego eksperymentu polegała na tym, że nikt wcześniej nie próbował czegoś podobnego, nie wiadomo więc było, w jaki sposób eksperyment przygotować, ani czy w ogóle jest on możliwy. Udało się w olbrzymiej mierze dzięki doktorowi Jacksonowi Pybusowi z Los Alamos National Laboratory. W ramach swojej pracy magisterskiej na MIT wykonał analizę teoretyczną, która zaowocowała zaprojektowaniem odpowiedniego badania. To unikatowe badania zarówno z punktu widzenia z fizyki, jak i techniki eksperymentalnej opracowanej przez magistranta. Nikt z nas, z wyjątkiem Jacksona, nie byłby w stanie tego zrobić, przyznają autorzy badań. Gdy naukowcy porównali wyniki pomiarów z teoretycznymi obliczeniami, okazało się, że podczas eksperymentu powstało więcej czarmonium, niż przewiduje teoria. To dowodzi, że gluony w związanych nukleonach zachowują się inaczej, niż w nukleonach swobodnych. Potrzeba jednak znacznie więcej badań, by stwierdzić, na czym polegają te różnice. Jednak teraz, gdy wiadomo, w jaki sposób należy przygotować odpowiednie eksperymenty, prowadzenie takich pomiarów będzie łatwiejsze. Źródło: First Measurement of Near-Threshold and Subthreshold J/ψ Photoproduction off Nuclei « powrót do artykułu

We wnętrzu każdego protonu bądź neutronu znajdują się trzy kwarki związane gluonami. Dotychczas często zakładano, że dwa z nich tworzą trwałą parę: dikwark. Teraz wydaje się jednak, że żywot dikwarków w fizyce dobiega końca. To jeden z wniosków płynących z nowego modelu zderzeń protonów z protonami bądź jądrami atomowymi, w którym uwzględniono oddziaływania gluonów z morzem wirtualnych kwarków i antykwarków. W fizyce pojawienie się nowego modelu teoretycznego nierzadko oznacza kłopoty dla starych koncepcji. Nie inaczej jest w przypadku opisu zderzeń protonów z protonami bądź jądrami atomowymi, zaproponowanego przez naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. W najnowszym modelu niebagatelną rolę odgrywają interakcje gluonów emitowanych przez jeden proton z morzem wirtualnych kwarków i antykwarków, pojawiających się i znikających wewnątrz drugiego protonu bądź neutronu. Gluony są nośnikami oddziaływania silnego, jednego z czterech fundamentalnych oddziaływań przyrody. Wiąże ono kwarki w zlepki, na przykład w protony i neutrony. Pod wieloma względami oddziaływanie silne różni się od pozostałych. Na przykład nie słabnie ono, lecz rośnie wraz z odległością między cząstkami. Co więcej, w przeciwieństwie do fotonów gluony przenoszą pewien ładunek (malowniczo nazywany kolorem) i mogą oddziaływać między sobą. Dominująca część reakcji jądrowych – w tym większość zderzeń protonów z protonami bądź jądrami atomowymi – to procesy, w których cząstki jedynie się „muskają” wymieniając gluony. Zderzenia tego typu są nazywane przez fizyków miękkimi i sprawiają im niemały kłopot, gdyż opisująca je teoria nie jest policzalna z zasad pierwszych. Z konieczności wszystkie dzisiejsze modele procesów miękkich są więc mniej lub bardziej fenomenologiczne. Sami początkowo chcieliśmy tylko sprawdzić, jak dotychczasowe narzędzie, znane jako Dualny Model Partonów, radzi sobie z bardziej precyzyjnymi danymi eksperymentalnymi dotyczącymi zderzeń protonu z protonem oraz protonu z jądrem węgla, wspomina prof. dr hab. Marek Jeżabek (IFJ PAN). Błyskawicznie się okazało, że nie idzie mu najlepiej. Postanowiliśmy więc na bazie starego modelu, rozwijanego od ponad czterech dekad, spróbować stworzyć coś z jednej strony dokładniejszego, z drugiej bliższego naturze opisywanych zjawisk. Zbudowany w IFJ PAN Model Wymiany Gluonów (Gluon Exchange Model, GEM) także ma charakter fenomenologiczny. Bazuje jednak nie na analogiach do innych zjawisk fizycznych, lecz opiera się bezpośrednio na istnieniu kwarków i gluonów oraz na ich fundamentalnych własnościach. Co więcej, GEM bierze pod uwagę istnienie w protonach i neutronach nie tylko trójek kwarków głównych (walencyjnych), ale także morza ciągle powstających i anihilujących par wirtualnych kwarków i antykwarków. Ponadto uwzględniono w nim ograniczenia wynikające z zasady zachowania liczby barionowej. W uproszczeniu mówi ona, że liczba barionów (czyli m.in. protonów i neutronów) istniejących przed i po zakończeniu oddziaływania musi pozostać niezmieniona. Ponieważ każdy z kwarków przenosi liczbę barionową (równą 1/3), zasada ta pozwala lepiej wnioskować, co się dzieje z kwarkami i wymienianymi między nimi gluonami. GEM pozwolił nam zbadać nowe scenariusze przebiegu zdarzeń z udziałem protonów i neutronów, podkreśla dr hab. Andrzej Rybicki (IFJ PAN) i przechodzi do szczegółów: Wyobraźmy sobie na przykład, że w trakcie miękkiego zderzenia proton-proton jeden z nich emituje gluon, który trafia w drugi, lecz nie w jego kwark walencyjny, a w jakiś przez ułamek chwili istniejący kwark z wirtualnego morza. Gdy taki gluon zostanie zaabsorbowany, tworzące parę kwark morski i antykwark morski przestają być wirtualne i się materializują w inne cząstki w pewnych stanach końcowych. Zwróćmy uwagę, że w tym scenariuszu nowe cząstki powstają mimo faktu, że kwarki walencyjne jednego z protonów pozostały nietknięte. Krakowski model gluonowy prowadzi do ciekawych spostrzeżeń, z których dwa są szczególnie godne uwagi. Pierwsze dotyczy pochodzenia protonów dyfrakcyjnych, obserwowanych w zderzeniach protonów. Są to szybkie protony, które wybiegają z miejsca kolizji pod niewielkimi kątami. Dotychczas sądzono, że nie mogą się one produkować w procesach związanych z wymianą koloru i że za ich powstawanie odpowiada inny mechanizm fizyczny. Teraz się okazuje, że obecność protonów dyfrakcyjnych można doskonale wytłumaczyć właśnie oddziaływaniem gluonu wyemitowanego przez jeden proton z kwarkami morskimi drugiego protonu. Nie mniej ciekawe jest kolejne spostrzeżenie. Wcześniej przy opisie zderzeń miękkich przyjmowano, że dwa spośród trzech kwarków walencyjnych protonu czy neutronu są ze sobą związane tak trwale, że tworzą „molekułę” nazywaną dikwarkiem. Istnienie dikwarku było hipotezą, za którą nie wszyscy fizycy oddaliby bezkrytycznie głowę, niemniej koncept był szeroko stosowany – co teraz zapewne się zmieni. Model GEM skonfrontowano bowiem z danymi eksperymentalnymi opisującymi sytuację, w której proton zderza się z jądrem węgla oddziałując po drodze z dwoma lub więcej proto¬nami/neutronami. Okazało się, że aby pozostać w zgodzie z pomiarami, w ramach nowego modelu w przynajmniej połowie przypadków trzeba założyć dezintegrację dikwarku. Wiele zatem wskazuje, że dikwark w protonie czy neutronie nie jest obiektem mocno związanym. W szczególności może być tak, że dikwark istnieje tylko efektywnie, jako przypadkowa konfiguracja dwóch kwarków tworzących tak zwany kolorowy antytryplet – i gdy tylko może, natychmiast się rozlatuje, mówi dr Rybicki. Krakowski model wymiany gluonów – „nasz klejnot”, jak mówią z przymrużeniem oka obaj autorzy wykorzystując grę słów w języku angielskim (wyraz „gem” można bowiem tłumaczyć jako „klejnot” bądź „cacko”) – w prostszy i bardziej spójny sposób wyjaśnia szerszą klasę zjawisk niż dotychczasowe narzędzia opisu zderzeń miękkich. Obecne wyniki, zaprezentowane w artykule opublikowanym na łamach czasopisma „Physics Letters B”, mają ciekawe implikacje dla zjawisk anihilacji materii z antymaterią, w których mogłoby dochodzić do anihilacji antyprotonu na więcej niż jednym protonie/neutronie w jądrze atomowym. Dlatego autorzy przedstawili już pierwsze, wstępne propozycje dotyczące przeprowadzenia nowych pomiarów w CERN z użyciem wiązki antyprotonów. « powrót do artykułu

W LHCb zaobserwowano, po raz pierwszy w historii, naruszenie symetrii CP podczas rozpadu mezonu D0. To historyczne wydarzenie, które z pewnością trafi do podręczników fizyki. To krok milowy fizyki cząstek. Od czasu odkrycia przed ponad 40 laty mezonu D fizycy podejrzewali, że naruszenie symetrii CP zachodzi również w tym systemie. Jednak dopiero teraz, po analizie wszystkich danych, jakie udało się zebrać w LHCb możemy potwierdzić, że zaobserwowaliśmy to zjawisko, mówi Eckhard Elsen, dyrektor ds. badań i obliczeń w CERN. Symetria ładunkowo-przestrzenna CP to termin, który oznacza, że każda cząstka elementarna ma swój odpowiednik, czyli antycząstkę. Są one pod wieloma względami identyczne, różnią się za to ładunkami elektrycznymi oraz liczbami kwantowymi. Wiadomo jednak, gdy w grę wchodzą oddziaływania słabe, symetria w niektórych cząstkach nie jest zachowana. Dochodzi do naruszeń symetrii CP. Zjawisko to po raz pierwszy zaobserwowano w latach 60. ubiegłego roku w Brookhaven Laboratory podczas rozpadu neutralnych kaonów. W 1980 roku autorzy odkrycia, James Watson Cronin i Val Logsdon Fitch, otrzymali za nie Nagrodę Nobla z fizyki. Później w 2001 roku badania nad naruszeniem symetrii CP w mezonie B przeprowadził zespół z USA i Japonii. Ponownie skończyło się to Nagrodą Nobla, którą w 2008 roku otrzymali Makoto Kobayashi, Toshihide Masakawa i Yoichiro Nambu. Naruszenie symetrii CP to jeden z podstawowych procesów zachodzących we wszechświecie. To dzięki niemu rozpoczął się proces, który po Wielkim Wybuchu doprowadził do pojawienia się przewagi materii nad antymaterią. Jednak rozmiary obecnie obserwowanych naruszeń w Modelu Standardowym są zbyt małe, by wyjaśnić istniejącą nierównowagę pomiędzy materią a antymaterią. To zaś sugeruje, że istnieją dodatkowe, nieznane jeszcze, źródła naruszeń CP. Mezon D0 składa się z kwarka powabnego i antykwarka górnego. Dotychczas naruszenia symetrii CP były obserwowane wyłącznie w cząstkach zawierających kwark dziwny lub kwark niski. Dotychczasowe obserwacje potwierdzały wzorzec naruszeń symetrii CP opisany w Modelu Standardowym za pomocą macierzy Cabibbo-Kobayashiego-Masakawy (macierz CKM). Opisuje ona, jakie przemiany zachodzą w kwarkach wskutek oddziaływań słabych. Jednym z największych zadań współczesnej fizyki cząstek jest uzupełnianie macierzy. Odkrycie, że naruszenie symetrii CP zachodzi też w mezonach D0 to pierwszy dowód na przemiany w kwarku powabnym. Najnowszego odkrycia dokonano analizując pełny zestaw danych uzyskanych w LHCb w latach 2011–2018 pochodzących z rozpadów mezonu D0 i jego antycząstki, antymezonu D0. Znaczenie statystyczne odkrycia wynosi 5,3, czyli przekracza próg sigma 5, wyznaczający pewność dokonanego odkrycia. « powrót do artykułu