Więcej energii to więcej efektów – w zderzeniach protonów

[KopalniaWiedzy.pl 357]

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