Znajdź zawartość

Gdy rozpędzone niemal do prędkości światła jony ołowiu lub złota wpadną na siebie w czeluściach akceleratorów, na ułamki sekund tworzy się plazma kwarkowo-gluonowa. Zdaniem naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, dane eksperymentalne wskazują, że na arenie wydarzeń są tu obecni jeszcze inni, dotychczas niedoceniani aktorzy: fotony. Ich zderzenia prowadzą do emisji pozornie nadmiarowych cząstek, których obecności nie potrafiono wyjaśnić. Plazma kwarkowo-gluonowa to bezsprzecznie najbardziej egzotyczny ze znanych nam stanów materii. W akceleratorze LHC w CERN pod Genewą tworzy się ona podczas centralnych zderzeń dwóch nadlatujących z naprzeciwka jonów ołowiu, poruszających się z prędkościami bardzo bliskimi prędkości światła. Kwarkowo-gluonowa zupa bywa też doprawiona innymi cząstkami. Niestety, opis teoretyczny przebiegu wydarzeń z udziałem plazmy oraz jej koktajlu nie w pełni odpowiadał danym zebranym w eksperymentach. W artykule opublikowanym na łamach czasopisma Physics Letters B grupa naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie wyjaśniła przyczynę zaobserwowanych rozbieżności. Dane zebrane w trakcie zderzeń jąder ołowiu w akceleratorze LHC, a także podczas zderzeń jąder złota w akceleratorze RHIC w Brookhaven National Laboratory koło Nowego Jorku, zaczynają się zgadzać z teorią, gdy w opisie zachodzących procesów uwzględni się zderzenia między fotonami otaczającymi oba oddziałujące ze sobą jony. Z pewnym przymrużeniem oka można powiedzieć, że przy odpowiednio wielkich energiach masywne jony zderzają się nie tylko swoimi protonami i neutronami, ale nawet swoimi chmurami fotonów, mówi dr Mariola Kłusek-Gawenda (IFJ PAN) i od razu precyzuje: Przy opisie kolizji jonów w LHC już wcześniej uwzględnialiśmy zderzenia między fotonami. Dotyczyły one jednak tylko zderzeń ultraperyferyjnych, w których jony nie trafiają w siebie, lecz mijają się niezmienione, oddziałując wyłącznie własnymi polami elektromagnetycznymi. Nikt nie przypuszczał, że zderzenia fotonów mogą odgrywać jakąkolwiek rolę w brutalnych interakcjach, gdzie protony i neutrony dosłownie zlewają się w kwarkowo-gluonową zupę. W warunkach znanych z codziennego życia fotony nie zderzają się ze sobą. Gdy jednak mamy do czynienia z masywnymi jonami rozpędzonymi niemal do prędkości światła, sytuacja staje się inna. Jądro złota zawiera 79 protonów, jądro ołowiu aż 82, ładunek elektryczny każdego jonu jest więc odpowiednio wiele razy większy od ładunku elementarnego. Nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych są fotony, zatem każdy jon można traktować jako obiekt otoczony chmurą wielu fotonów. Co więcej, w akceleratorach RHIC i LHC jony poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła. W rezultacie i one, i otaczająca je chmura fotonów, z punktu widzenia obserwatora w laboratorium sprawiają wrażenie niezwykle cienkich placków, spłaszczonych w kierunku ruchu. Z każdym przelotem takiego protonowo-neutronowego naleśnika wiąże się wyjątkowo gwałtowna oscylacja pól elektrycznego i magnetycznego. W elektrodynamice kwantowej, teorii używanej do opisu elektromagnetyzmu z uwzględnieniem zjawisk kwantowych, istnieje maksymalna wartość krytyczna pola elektrycznego, rzędu dziesięć do szesnastej woltów na centymetr. Dotyczy ona statycznych pól elektrycznych. W przypadku zderzeń masywnych jąder atomowych w RHIC czy LHC mamy do czynienia z polami dynamicznymi, pojawiającymi się na zaledwie milionowe części jednej miliardowej jednej miliardowej sekundy. Przez tak ekstremalnie krótki czas pola elektryczne w zderzeniach jonów mogą być nawet stukrotnie silniejsze od wartości krytycznej. W istocie pola elektryczne jonów zderzających się w LHC bądź RHIC są tak potężne, że pod ich wpływem powstają wirtualne fotony i dochodzi do ich zderzeń. W wyniku tych procesów w różnych punktach wokół jonów, gdzie wcześniej nie było niczego materialnego, powstają pary lepton-antylepton. Cząstki każdej pary rozbiegają się w charakterystyczny sposób: typowo w przeciwnych kierunkach i niemal prostopadle do pierwotnego kierunku ruchu jonów, wyjaśnia dr hab. Wolfgang Schäfer (IFJ PAN) i przypomina, że do rodziny leptonów są zaliczane elektrony oraz ich bardziej masywne odpowiedniki: miony i taony. Interakcje fotonów i związana z nimi produkcja par lepton-antylepton są kluczowe w zderzeniach peryferyjnych. Kolizje tego typu krakowscy fizycy opisali już kilka lat wcześniej. Ku własnemu zaskoczeniu, teraz udało się im wykazać, że te same zjawiska odgrywają niemałą rolę również w bezpośrednich zderzeniach jąder, nawet centralnych. Z danych zebranych dla jąder złota w RHIC i jąder ołowiu w LHC wynika bowiem, że podczas takich zderzeń pojawia się pewna „nadmiarowa” liczba par elektron-pozyton, które stosunkowo wolno rozbiegają się w kierunkach niemal prostopadłych do wiązek jonów. Ich istnienie udało się wyjaśnić właśnie poprzez uwzględnienie produkcji par lepton-antylepton przez zderzające się fotony. Prawdziwą wisienką na torcie okazał się dla nas fakt, że uzupełniając dotychczasowe narzędzia opisu zderzeń masywnych jonów o nasz formalizm zbudowany na tak zwanych funkcjach Wignera mogliśmy wreszcie wytłumaczyć, dlaczego detektory największych współczesnych eksperymentów akceleratorowych rejestrują takie a nie inne rozkłady leptonów i antyleptonów uciekających z miejsca kolizji jąder (dla ustalonej centralności zderzenia). Nasze rozumienie najważniejszych zachodzących tu procesów stało się bardziej kompletne, podsumowuje prof. dr hab. Antoni Szczurek (IFJ PAN). Prace nad krakowskim modelem zderzeń foton-foton sfinansowano ze środków Narodowego Centrum Nauki. Model wzbudził zainteresowanie fizyków pracujących przy detektorach ATLAS i ALICE akceleratora LHC i zostanie użyty już w najbliższych analizach danych eksperymentalnych. « powrót do artykułu

W bezmiarze naszej galaktyki astrofizycy od lat tropią pevatrony, naturalne akceleratory cząstek o monstrualnych energiach. Dzięki obserwatorium promieniowania kosmicznego HAWC właśnie natrafiono na kolejny prawdopodobny ślad ich istnienia. Szczególnie istotny jest fakt, że tym razem wysokoenergetyczne fotony udało się nie tylko zarejestrować, ale i ustalić prawdopodobne miejsce ich pochodzenia. Wiemy, że istnieją, nie wiemy, gdzie dokładnie się znajdują i jak wyglądają. Pevatrony – bo o nich tu mowa – to największe naturalne akceleratory cząstek w naszej galaktyce, zdolne przyspieszać protony i elektrony do energii nawet biliardy razy większej od energii fotonów światła widzialnego. Problem z wykryciem pevatronów wynika z faktu, że przyspieszane przez nie cząstki niosą ładunek elektryczny, są więc odchylane przez pola magnetyczne w galaktyce. Odkrycie, którego właśnie dokonano dzięki danym zebranym przez obserwatorium HAWC (High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory), w istotnym stopniu przybliża nas do znalezienia pierwszego kosmicznego pevatronu i zrozumienia jego natury. Obserwatorium HAWC znajduje się na zboczu wulkanu Sierra Negra w Meksyku, na wysokości 4100 m n.p.m. Składa się z 300 zbiorników z wodą, z których każdy jest otoczony czułymi fotopowielaczami. Gdy do wnętrza jakiegoś zbiornika wpada cząstka wtórnego promieniowania kosmicznego poruszająca się z prędkością większą od prędkości światła w wodzie, pojawia się elektromagnetyczny "grzmot" – słaby błysk promieniowania (Czerenkowa), wykrywany i wzmacniany przez fotopowielacze. Uważna analiza błysków zaobserwowanych w tym samym czasie w poszczególnych zbiornikach pozwala wydobyć informację o rodzaju, energii i kierunku cząstki pierwotnego promieniowania kosmicznego, która zainicjowała zarejestrowaną kaskadę cząstek wtórnych. Na podstawie danych zebranych przez HAWC udało się nam ustalić źródło fotonów o energiach około 200 teraelektronowoltów. Jak na fotony to wartość wręcz ekstremalna, sto bilionów razy większa od energii typowej dla fotonów dostrzeganych przez nasze oczy - mówi dr hab. Sabrina Casanova z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. Razem z dr. Franciskiem Salesa Greusem (IFJ PAN & IFIC) i doktorantem Dezhim Huangiem z Michigan Technological University w Houghton (USA) jest ona jednym z głównych autorów analizy opublikowanej na łamach znakomitego czasopisma astronomicznego The Astrophysical Journal Letters. W stosunku do protonów i elektronów, fotony mają przyjemną cechę: ignorują pola magnetyczne i biegną do celu po najkrótszej drodze, na jaką pozwala czasoprzestrzeń. Zatem gdy w obrębie galaktyki zidentyfikuje się kierunek, z którego nadlatują fotony, zwykle można ustalić ich źródło. Nie jest to zadanie łatwe, lecz w tym przypadku się udało. Źródłem fotonów 200 TeV okazały się okolice niedawno odkrytego pulsara eHWC J1825-134, widocznego na półkuli południowej w tle gwiazdozbioru Żagla, a leżącego w odległości około 13 tysięcy lat świetlnych od Ziemi. Obserwacje tak wysokoenergetycznych fotonów zdarzają się rzadko, jeszcze rzadziej udaje się ustalić źródło. Rekord należy obecnie do fotonów o energii 450 TeV, wykrytych za pomocą chińsko-japońskiego detektora ASgamma w Tybecie. W tamtym przypadku fotony nadlatywały z okolicy pulsara w słynnej mgławicy Krab w tle gwiazdozbioru Byka. Obecnie znamy dwa mechanizmy mogące tłumaczyć istnienie fotonów o energiach 200 TeV i większych - tłumaczy dr Salesa Greus, po czym precyzuje: Zgodnie z pierwszym, źródłem tak energetycznych fotonów mogłyby być elektrony o nieco większych energiach, emitowane przez pozostałości supernowych czy pulsary i następnie oddziałujące z wypełniającym Wszechświat mikrofalowym promieniowaniem tła. Ten przypadek wydaje się pasować do mgławicy Krab. Drugi wariant przebiegu wydarzeń zakłada, że fotony rodzą się wskutek oddziaływania protonów wyemitowanych przez pulsar z materią w przestrzeni międzygwiazdowej. Co szczególnie interesujące, w tym scenariuszu energie protonów muszą być przynajmniej rząd wielkości większe od energii obserwowanych fotonów! Rejon pulsara eHWC J1825-134 to złożona struktura astronomiczna, w jej obrębie znajduje się kilka źródeł wysokoenergetycznego promieniowania gamma. Badaczom z HAWC udało się ustalić, że miejscem pochodzenia fotonów o energii 200 TeV nie był sam pulsar, lecz nieznane wcześniej źródło: leżący w pobliżu obłok materii międzygwiazdowej. Otacza on młodą, liczącą mniej więcej milion lat, gromadę gwiazd, oznaczoną jako [BDS2003] 8. Zaobserwowane fotony mogły więc być wyemitowane przez protony pochodzące z pulsara eHWC J1825-134, które w obrębie gromady gwiezdnej [BDS2003] 8 miały dostatecznie dużo czasu, by rozpędzić się w tutejszych polach magnetycznych do energii rzędu kilku petaelektronowoltów i w interakcjach z materią obłoku wyprodukować odpowiednio energetyczne fotony. Jeśli ten wariant przebiegu wydarzeń zostanie potwierdzony w kolejnych obserwacjach, mielibyśmy do czynienia z największym pevatronem zidentyfikowanym w naszej galaktyce. Na razie mamy zbyt mało danych, by jednoznacznie rozstrzygnąć o naturze kosmicznego akceleratora odpowiedzialnego za powstawanie fotonów 200 TeV w rejonie eHWC J1825-134. Jeśli jednak gdzieś kryje się jakiś galaktyczny pevatron, nam udało się znaleźć naprawdę wyśmienitego kandydata - zauważa dr Casanova. Badania naukowców z IFJ PAN sfinansowano z grantu Narodowego Centrum Nauki. « powrót do artykułu