W kolizjach przeciwbieżnych strumieni protonów istnieje możliwość badania mechanizmów hadronizacji. Detektory notują cząstki wtórne pojawiające się bezpośrednio w rejonie kolizji lub z dekompozycji długowiecznych cząstek w obszarze otaczającego je halo. Kwantowe powiązania między triadami mezonów pi (po prawej) dostarczają danych o szczegółach procesu, ukazując koherentną emisję cząstek. (Źródło: IFJ PAN)
Po raz pierwszy, analizując kwantowe korelacje między trójkami cząstek wtórnych, formujących się podczas kolizji w akceleratorze LHC, badacze zarejestrowali ich spójną produkcję. To zjawisko studiowali fizycy z IFJ PAN w Krakowie, pracujący w zespole eksperymentu LHCb.
– Kwarki oraz spajające je gluony to najliczniejsi więźniowie dzisiejszego Wszechświata, uwięzieni wewnątrz protonów, neutronów czy mezonów. Jednak przy dostatecznie dużych energiach – takich, które zaistniały krótko po Wielkim Wybuchu lub obecnie pojawiają się w kolizjach protonów w akceleratorze LHC – kwarki i gluony uwalniają się, kreując niezwykłą „zupę”: plazmę kwarkowo-gluonową – objaśnia w informacyjnym komunikacie Instytut Fizyki Jądrowej PAN.
W normalnych warunkach plazma ta nie jest stabilna, i gdy tylko odpowiednio się ochłodzi, kwarki i gluony ponownie się ze sobą łączą, w procesie hadronizacji wytwarzając cząstki materii. Nowe informacje dotyczące tego zjawiska, uzyskane dzięki analizom tak zwanych trójcząstkowych korelacji kwantowych, pozyskali fizycy z IFJ PAN w Krakowie, działający w ramach eksperymentu LHCb, realizowanego przez Europejską Organizację Badań Nuklearnych CERN w Genewie.
Gdy w akceleratorze LHC przy wysokich energiach proton zderza się z protonem, tworzące te cząstki kwarki, wraz ze spajającymi je gluonami, generują mieszaninę: plazmę kwarkowo-gluonową. To właśnie podczas jej oziębiania, w procesie nazywanym hadronizacją, powstają cząstki wtórne, rejestrowane następnie w detektorach jako produkty kolizji. Badania przebiegu hadronizacji mają zasadnicze znaczenie dla pojmowania, jak powstały – i jak nadal powstają – cząstki tworzące nasz powszedni świat.
Jak tłumaczą eksperci instytutu, hadronizacja jest jednak wyjątkowo ciężka do analizowania, ponieważ zachodzi w skrajnie krótkim czasie, rzędu zaledwie biliardowych części jednej biliardowej sekundy, dodatkowo na dystansach rzędu milionowych części jednej miliardowej metra. Jej bezpośrednia obserwacja nie jest możliwa ani teraz, ani nie będzie w przewidywalnej przyszłości. Zatem fizycy próbują zdobywać dane o fenomenach występujących podczas hadronizacji pośrednio, między innymi na podstawie analiz korelacji kwantowych, możliwych do uchwycenia pomiędzy cząstkami, opuszczającymi rejon kolizji.
– W mechanice kwantowej do opisu cząstek stosuje się funkcje zwane falowymi. W sytuacji, gdy w układzie jest wiele cząstek, ich funkcje falowe będą się nakładać i nastąpi interferencja, tak jak w przypadku zwykłych fal. O korelacjach Bosego-Einsteina mówimy wtedy, gdy interferujące funkcje falowe będą się wygaszać. W przypadku, gdyby się wzmacniały, mówilibyśmy o korelacjach Fermiego-Diraca – wyjaśnia prof. Marcin Kucharczyk z IFJ PAN.
W artykule opublikowanym w czasopiśmie „Journal of High Energy Physics” korelacje kwantowe badano w oparciu o model rdzeń-halo. Zakłada on, że przestrzenny obszar hadronizacji, z którego pochodzą cząstki wtórne rejestrowane po kolizji, można podzielić na dwie części: centralną – zwaną rdzeniem, gdzie są one generowane bezpośrednio z plazmy kwarkowo-gluonowej lub w rozpadach tworzących się z niej cząstek krótkowiecznych, oraz otoczki (czyli halo), gdzie pochodziłyby już tylko z dekompozycji cząstek o dłuższych czasach życia. Istotne jest przy tym to, że główne parametry modelu rdzeń-halo można wyznaczyć na podstawie parametrów opisujących korelacje kwantowe między emitowanymi cząstkami.
– Dzięki korelacjom Bosego-Einsteina między cząstkami zarejestrowanymi przez detektory eksperymentu LHCb możemy wyodrębnić informacje o wielkości i kształcie źródła, z którego są one wysyłane, a nawet o tym, jak to źródło ewoluuje w czasie oraz ile cząstek jest emitowanych z rdzenia, a ile z halo. Otrzymujemy w ten sposób wiedzę o detalach samej hadronizacji, o dynamice wczesnej fazy produkcji cząstek – dodał dr inż. Miłosz Zdybał, współautor analizy.
Analizy przeprowadzono dla obserwowanych w ramach eksperymentu LHCb kolizji protonów z protonami, skupiając się na tych przypadkach, które skutkowały powstaniem trójek pionów (mezonów pi) o identycznym znaku ładunku elektrycznego. Dane, zebrane w 2013 roku, dotyczyły kolizji o energii siedmiu teraelektronowoltów (TeV) oraz pionów emitowanych w tak zwanym obszarze „do przodu”, a więc tylko nieznacznie się rozchodzących względem kierunku początkowej wiązki protonów. Podczas prac krakowscy fizycy opierali się na swoich wcześniejszych analizach sprzed dwóch lat, kiedy to dla zbliżonych kolizji udało się udowodnić istnienie korelacji kwantowych między parami wyemitowanych pionów.
– Produkcja trójek pionów w obecnie zbadanych przypadkach, dla cząstek rozchodzących się „do przodu” z obszaru kolizji, z jakichś przyczyn okazała się być koherentna. Zatem mamy do czynienia z pierwszą obserwacją koherentnej produkcji cząstek z wykorzystaniem trójcząstkowych korelacji Bosego-Einsteina dla tak zwanych małych układów, to jest takich, w których proton zderza się z protonem lub z jonem – podkreślił prof. Kucharczyk.
Jakie procesy zachodzące podczas hadronizacji mogą odpowiadać za koherentną produkcję cząstek emitowanych wzdłuż początkowego kierunku wiązek protonowych? – Coraz więcej wskazuje na to, że w małych systemach kolizji może dochodzić do pewnych form zjawisk zbiorowych. Jednak w aktualnych modelach nie ma mechanizmów zdolnych wytłumaczyć odkryte zjawisko i ciężko przewidzieć, kiedy fizycy-teoretycy tę lukę zapełnią – oznajmili specjaliści IFJ PAN.
Analizy przeprowadzone przez zespół naukowców z IFJ PAN były współfinansowane ze środków NCN.
Nauka w Polsce
ekr/ zan/
