Dodano: 01 marzec 2018r.

Jak rodzą się hadrony w LHC?

Dzięki danym zebranym w Wielkim Zderzaczu Hadronów naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie uzyskali nowe informacje dotyczące hadronizacji. To proces, w którym kwarki i gluony wiążą się ze sobą, czego efektem są narodziny hadronów - cząstek będących zlepkami dwóch lub trzech kwarków.

 

Otaczający nas świat składa się w ogromnej większości z cząstek zbudowanych z trzech kwarków powiązanych ze sobą gluonami. Sam proces wiązania się kwarków jest słabo poznany. W Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) fizycy od lat próbują poszerzyć wiedzę na ten temat. W ramach międzynarodowej współpracy badania prowadzą tam także naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie (IFJ PAN), którzy uzyskali nowe informacje dotyczące przebiegu hadronizacji w zderzeniach protonów.

W akceleratorze LHC rozpędzone do największych energii protony zderzają się. Podczas takich zderzeń ich cząstki składowe, kwarki oraz gluony tworzą stan pośredni, który wykazuje właściwości cieczy. Naukowcy dokonali obserwacji, z których wynika, że w zderzeniach stosunkowo prostych cząstek, jakimi są protony, ów stan pośredni wykazuje właściwości, typowe dla zderzeń ciężkich jonów - znacznie bardziej złożonych obiektów. Wskazuje to na istnienie nowego stanu materii: plazmy kwarkowogluonowej, w której kwarki i gluony zachowują się niemal jak cząstki swobodne. Ta ciecz natychmiast się schładza i w efekcie kwarki i gluony ponownie wiążą się ze sobą w procesie hadronizacji.

Wyniki badań krakowskich badaczy ukazały się w „Journal of High Energy Physics”.

- Główną rolę w zderzeniach protonów odgrywa oddziaływanie silne, opisywane przez chromodynamikę kwantową. Zjawiska zachodzące podczas schładzania plazmy kwarkowogluonowej są jednak tak złożone pod względem obliczeniowym, że dotychczas nie udało się dobrze poznać i zrozumieć szczegółów hadronizacji. A przecież jest to proces o kluczowym znaczeniu! To dzięki niemu w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu z kwarków i gluonów uformowała się dominująca większość cząstek tworzących nasze codzienne środowisko – wyjaśnia na stronach IFJ PAN dr hab. inż. Marcin Kucharczyk.

Proces hadronizacji zachodzi błyskawicznie. Do tego dzieje się bardzo małym obszarze (jego rozmiary sięgają zaledwie femtometrów, czyli milionowych części jednej miliardowej metra) wokół punktu zderzenia protonów. To wszystko sprawia, że bezpośrednia obserwacja hadronizacji jest niemożliwa. Ale fizycy mają na to sposób. Dzięki różnym metodom pośrednim, w których kluczową rolę odgrywa podstawowe narzędzie mechaniki kwantowej: funkcja falowa, której właściwości odwzorowują cechy cząstek danego typu.

- Funkcje falowe identycznych cząstek będą się na siebie efektywnie nakładały, czyli interferowały. Jeśli w wyniku interferencji dojdzie do ich wzmocnienia, mówimy o korelacjach Bosego-Einsteina, jeśli do wytłumienia – o korelacjach Fermiego-Diraca. W naszych analizach interesowały nas wzmocnienia, a więc korelacje Bosego-Einsteina. Poszukiwaliśmy ich między mezonami pi wylatującymi z obszaru hadronizacji w kierunkach bliskich pierwotnemu kierunkowi zderzających się wiązek protonów – tłumaczy na stronach IFJ PAN doktorant Bartosz Małecki.

Krakowscy fizycy w swoich badaniach użyli metody, która została opracowana na potrzeby radioastronomii. To tzw. interferometria HBT (od nazwisk jej dwóch twórców: Roberta Hanbury'ego Browna i Richarda Twissa).

Metoda ta w odniesieniu do cząstek pozwala określić rozmiary obszaru hadronizacji i jego ewolucję w czasie. Za jej pomocą można zdobyć informacje na przykład o tym, czy obszar ten jest różny dla różnych liczb wyemitowanych cząstek bądź dla ich różnych rodzajów.

„Dane z detektora LHCb umożliwiły badanie procesu hadronizacji w obszarze tzw. małych kątów, czyli dla hadronów produkowanych w kierunkach bliskich kierunkowi pierwotnych wiązek protonów. Analiza wykonana przez grupę z IFJ PAN dostarczyła wskazówek, że parametry opisujące źródło hadronizacji w niezbadanym jak dotąd obszarze małych kątów, a dostępnym w eksperymencie LHCb, różnią się od wyników podobnych analiz wykonanych dla większych kątów w innych eksperymentach” – czytamy na stronach IFJ PAN.

Badania przeprowadzone przez krakowskich naukowców będą kontynuowane w eksperymencie LHCb dla różnych energii zderzeń i różnych rodzajów zderzających się obiektów. - Dzięki temu będzie można zweryfikować niektóre z modeli opisujących hadronizację, a w konsekwencji lepiej zrozumieć przebieg samego procesu – podkreśla prof. dr hab. Mariusz Witek.

 

Źródło: IFJ PAN, PAP, fot. CERN/ LHCb. Na zdjęciu cząstki wyprodukowane w trakcie jednego ze zderzeń dwóch protonów o energiach 7 TeV każdy, zarejestrowane przez detektory eksperymentu LHCb w 2011 roku.