Znajdź zawartość

Im większa energia zderzeń cząstek, tym ciekawsza fizyka. Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie znaleźli kolejne potwierdzenie tej tezy, tym razem w zderzeniach wysokoenergetycznych protonów z protonami bądź jądrami ołowiu. Gdy proton z dużą energią zderza się z innym protonem lub jądrem atomowym, efektem kolizji są strumienie cząstek wtórnych, w żargonie fizyków nazywane dżetami. Część z nich rozbiega się na boki, jednak część zachowuje kierunek ruchu zbliżony do pierwotnego. O szczegółach przebiegu zderzenia decyduje nie tylko rodzaj zderzających się cząstek, ale również wiele innych czynników, a zwłaszcza ilość energii. Na łamach czasopisma Physics Letters B czteroosobowa grupa naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie wykazała, że przy największych energiach otrzymywanych w akceleratorze LHC dokładny opis przebiegu zderzeń protonów z protonami lub jądrami ołowiu wymaga uwzględnienia dodatkowych zjawisk. W eksperymencie ATLAS przy akceleratorze LHC (CERN, Genewa) od lat rejestruje się kolizje dwóch przeciwbieżnych wiązek protonów bądź wiązki protonów z wiązką jąder ołowiu. Krakowscy badacze wzięli pod lupę najnowsze dane, dotyczące zderzeń o dużych energiach, sięgających pięciu teraelektronowoltów (czyli tysięcy miliardów eV). Szczególną uwagę poświęcono tym przypadkom, w których dżety wybiegające z punktu zderzenia poruszały się "do przodu", czyli wzdłuż pierwotnego kierunku wiązek. Protony, a także występujące w jądrach atomowych neutrony, nie są cząstkami elementarnymi. Zwykle mówi się, że składają się one z trzech kwarków, jest to jednak ogromne uproszczenie. W rzeczywistości każdy proton czy neutron to twór ekstremalnie dynamiczny, wypełniony nieustannie kipiącym morzem gluonów, czyli cząstek zlepiających kwarki. Z tą dynamiką wiąże się ciekawy fakt: w zależności od zachowania swoich cząstek składowych, czyli partonów, proton może być raz mniej, a raz bardziej gęsty. I to tłumaczy, dlaczego przypadki zderzeń z dżetami "do przodu" są dla nas tak interesujące. Dotyczą one bowiem sytuacji, gdy jeden proton był rzadki, czyli zachowywał się jak pocisk, a drugi był gęsty, czyli zachowywał się jak tarcza - wyjaśnia dr hab. Krzysztof Kutak (IFJ PAN). W swoim opisie zderzeń wysokoenergetycznych protonów fizycy z IFJ PAN uwzględnili dwa wcześniej już znane zjawiska. Pierwsze z nich jest związane z faktem, że wraz ze zwiększaniem energii zderzeń rośnie liczba gluonów tworzących się wewnątrz protonów. Okazuje się, że proces ten nie trwa w nieskończoność. W pewnym momencie, przy dostatecznie dużej energii zderzeń, gluonów pojawia się tak dużo, że ich wzajemne oddziaływanie staje się nieliniowe i gluony zaczynają ze sobą rekombinować. Wytwarza się wtedy dynamiczna równowaga między procesem produkcji gluonów a ich rekombinacją. Efekt ten jest nazywany saturacją. Drugim czynnikiem uwzględnionym przez krakowskich fizyków był efekt Sudakowa. Dotyczy on sytuacji, w których różnica pędów wygenerowanych dżetów jest większa od pędów partonów inicjujących produkcję dżetów. Ten nieoczekiwany wynik w rzeczywistości jest rezultatem kwantowych efektów związanych z emisją wirtualnych cząstek, pozornie łamiącym zasady zachowania pędu między partonami uczestniczącymi w zderzeniu. W ich wyniku prawdopodobieństwo wyprodukowania przeciwbieżnych dżetów zmniejsza się, podczas gdy produkcja dżetów nieprzeciwbieżnych wzrasta. Zarówno efekt Sudakowa, jak i saturacja, są znane od pewnego czasu. Ich jednoczesne uwzględnienie było jednak zaniedbywane. To właśnie ekstremalne warunki, panujące przy rozważanej konfiguracji dżetów "do przodu", zmotywowały nas do uwzględnienia obu efektów - mówi dr hab. Andreas van Hameren (IFJ PAN). Efekt Sudakowa brano już pod uwagę, jednak gdy wskutek wzrostu energii zderzeń proces staje się nieliniowy, należy konieczne uwzględnić także saturację - precyzuje dr Piotr Kotko (IFJ PAN, AGH). Wypowiedź tę uzupełnia dr hab. Sebastian Sapeta (IFJ PAN): My sami w jednej ze wcześniejszych prac uwzględniliśmy efekt Sudakowa, ale tylko w przypadkach, gdy część dżetów biegła "do przodu", a część pozostawała w obszarze centralnym detektora, czyli rozbiegała się pod dużym kątem w stosunku do kierunku wiązki. Przy opisie takich zdarzeń pokazaliśmy, że saturację można pominąć. W swojej najnowszej publikacji krakowska grupa udowadnia, że aby opis teoretyczny zgadzał się z danymi eksperymentalnymi, zderzenia przy wysokich energiach wymagają uwzględnienia obu wspomnianych zjawisk jednocześnie. Omówiony artykuł to pierwszy tak kompletny opis produkcji dżetów "do przodu" w wysokoenergetycznych zderzeniach proton-proton i proton-jądro (ołowiu). Obecnie autorzy pracują nad rozszerzeniem zaproponowanego formalizmu na zderzenia z produkcją większej liczby dżetów i cząstek. Przedstawione badania sfinansowano z grantu Narodowego Centrum Nauki. « powrót do artykułu

Uruchamiając Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider) w europejskim laboratorium CERN uczeni mieli głęboką nadzieję na nowe odkrycia. Doczekali się takiego wcześniej niż sądzili, zanim aparatura doszła do połowy zaplanowanej mocy. Wyniki zderzeń protonów z aparatu CMS dały zaskakujące wyniki, które naukowców wprawiły w takie zmieszanie, że pół-żartem mówią: te cząsteczki są w zmowie. Od kilku miesięcy przeprowadzane są kolizje proton - proton z najwyższymi dotąd używanymi energiami. Zderzające się z siłą siedmiu TeV (teraelektronowoltów) cząsteczki rozpryskują się na mniejsze cząsteczki, każde zderzenie pojedynczych protonów daje w efekcie ponad setkę różnych cząsteczek elementarnych, których pojawienie się i ucieczkę w losowych kierunkach rejestruje detektor CMS. Kiedy w połowie września Gunther Roland (z amerykańskiego MIT) oraz Guido Tonelli (University of Pisa i National Institute of Nuclear Physics we Włoszech) przeanalizowali dane z 350 tysięcy zderzeń, jakie przeprowadzono od marca do sierpnia odkryli, że część z rejestrowanych cząsteczek nie zachowuje się tak, jak powinna. Zamiast po pojawieniu się umykać w losowym kierunku, łączą się w pary („parują się"), biegnąc w dokładnie przeciwnych kierunkach. Zupełnie, jakby się umawiały - jak określili to badacze - i pozostawały w jakimś związku pomimo że osiągają prędkość bliską prędkości światła. Mimo że dotyczy to tylko kilku procent cząsteczek, odkrycie nie pasuje do istniejącego obrazu fizyki kwantowej. Przez jakiś czas szukano błędów w metodologii eksperymentów, które pozwoliłyby wyjaśnić anomalię w prosty sposób. Nie znaleziono takich, trzeba zatem stworzyć nowe hipotezy. Tonelli i Roland są pewni, że rozwiązania trzeba szukać na gruncie chromodynamiki kwantowej, czyli dziedziny fizyki zajmującej się potężnymi siłami działającymi w cząsteczkach subatomowych. Nie wiadomo jednak, jaki element chromodynamiki mógłby wyjaśnić ten fenomen. Próby wyjaśnienia anomalii podjął się teoretyk Larry McLerran (pracownik amerykańskiego Brookhaven National Laboratory w Upton). Uważa on, że przy odpowiednio olbrzymiej prędkości i energii zderzanych nukleonów wytwarza się nowy, ultragęsty stan materii, nazywany kondensatem kolorowego szkła (color glass condensate). „Kolorowego", ponieważ odnosi się do cząsteczek takich jak kwarki i gluony, których ładunki nazywa się kolorami. Zjawiskom w kondensacie kolorowego szkła towarzyszy ekstremalnie silne pole kolorowe - które można porównać do znanego nam pola elektrycznego lub magnetycznego. Podobnie jak rozpryskujące się w polu magnetycznym opiłki żelaza będą podążać wzdłuż linii pola, cząsteczki elementarne w detektorze CMS poruszają się wzdłuż linii pola kolorowego. Podobne wyjaśnienie McLerran proponował wcześniej dla zjawiska parowania się cząsteczej podczas zderzeń ciężkich jonów w aparaturze Relativistic Heavy Ion Collider w amerykańskim narodowym laboratorium w Brookhaven. Badania będą trwać, oczekuje się, że wraz ze zwiększaniem energii zderzeń zjawisko „zmowy cząsteczek", czyli łączenia się w pary będzie występować coraz częściej.