Nasz świat składa się głównie z cząstek zbudowanych z trzech kwarków powiązanych gluonami. Proces zlepiania się kwarków, zwany hadronizacją, jest wciąż słabo poznany, ale dzięki analizie unikalnych danych zebranych dla wysokoenergetycznych zderzeń protonów w akceleratorze LHC fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie zdobyli na jego temat nowe informacje.
Gdy rozpędzone do największych energii protony zderzają się w akceleratorze LHC, ich cząstki składowe – kwarki i gluony – tworzą zagadkowy stan pośredni. Zaskoczeniem była obserwacja, że w zderzeniach stosunkowo prostych cząstek, jakimi są protony, ów stan pośredni wykazuje właściwości cieczy, typowe dla zderzeń znacznie bardziej złożonych obiektów. Tego typu właściwości wskazują na istnienie nowego stanu materii: plazmy kwarkowogluonowej, w której kwarki i gluony zachowują się niemal jak cząstki swobodne. Ta ciecz błyskawicznie się schładza, kwarki i gluony ponownie wiążą się ze sobą w procesie zwanym hadronizacją. Nowe informacje dotyczące przebiegu tego procesu zdobyli naukowcy w IFJ PAN, uczestniczący w eksperymencie LHCb.
– Zjawiska zachodzące podczas schładzania plazmy kwarkowogluonowej są 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 – mówi dr hab. inż. Marcin Kucharczyk, prof. IFJ PAN.
W akceleratorze LHC hadronizacja zachodzi niezwykle szybko, na dodatek w ekstremalnie małym obszarze – rzędu femtometrów, czyli milionowych części jednej miliardowej metra – wokół punktu zderzenia protonów. Bezpośrednia obserwacja tego procesu nie jest obecnie możliwa. Żeby zdobyć jakiekolwiek informacje o jego przebiegu, fizycy muszą sięgać po metody pośrednie. Kluczową rolę odgrywa w nich 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. Poszukiwaliśmy ich między mezonami pi wylatującymi z obszaru hadronizacji w kierunkach bliskich pierwotnemu kierunkowi zderzających się wiązek protonów – wyjaśnia doktorant Bartosz Małecki z IFJ PAN.
Metoda użyta przez krakowskich fizyków została oryginalnie opracowana dla potrzeb radioastronomii i nosi nazwę interferometrii HBT. Użyta w odniesieniu do cząstek, pozwala m.in. 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 naukowców 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.
– Analiza będzie kontynuowana 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 – mówi prof. dr hab. Mariusz Witek z IFJ PAN.
Prace zespołu z IFJ PAN zostały sfinansowane m.in. z grantu OPUS Narodowego Centrum Nauki.
JK
(źródło: IFJ PAN)