Koherentna produkcja trójek cząstek wtórnych.
Po raz pierwszy badając korelacje kwantowe między trójkami cząstek wtórnych, powstających podczas wysokoenergetycznych zderzeń w akceleratorze LHC, udało się zaobserwować ich koherentną produkcję. Osiągnięcie uwiarygodnia poprawność modelu rdzeń-halo, używanego obecnie do opisu jednego z najważniejszych procesów fizycznych: hadronizacji, podczas której pojedyncze kwarki łączą się ze sobą, formując główne składniki materii Wszechświata.Kwarki i wiążące je gluony to najliczniejsi więźniowie dzisiejszego Wszechświata, zamknięci we wnętrzach protonów, neutronów czy mezonów. Jednak przy dostatecznie wielkich energiach – takich, jakie istniały krótko po Wielkim Wybuchu lub dziś występują w zderzeniach protonów w akceleratorze LHC – kwarki i gluony uwalniają się, tworząc egzotyczną „zupę”: plazmę kwarkowo-gluonową. W normalnych warunkach plazma ta nie jest trwała i gdy tylko odpowiednio się schłodzi, kwarki i gluony ponowie się ze sobą wiążą, w procesie hadronizacji produkując cząstki materii. O nowych szczegółach tego fascynującego zjawiska, zdobytych dzięki analizom tak zwanych trójciałowych korelacji kwantowych, donoszą fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie, pracujący w ramach eksperymentu LHCb realizowanego przez Europejską Organizację Badań Jądrowych CERN w Genewie.
Gdy w akceleratorze LHC przy dużych energiach proton zderza się z protonem, tworzące te cząstki kwarki wraz ze zlepiającymi je gluonami formują mieszaninę: plazmę kwarkowo-gluonową. To właśnie podczas jej schładzania, w procesie nazywanym hadronizacją, powstają cząstki wtórne, rejestrowane później w detektorach jako produkty zderzenia. Badania przebiegu hadronizacji mają kluczowe znaczenie dla rozumienia, jak powstały (i jak wciąż powstają) cząstki tworzące nasz codzienny świat. Hadronizacja jest jednak wyjątkowo trudna do analizowania, ponieważ zachodzi w ekstremalnie krótkim czasie, rzędu zaledwie bilionowych części jednej bilionowej sekundy, na dodatek na odległościach rzędu milionowych części jednej miliardowej metra. Jej bezpośrednia obserwacja nie jest możliwa ani dziś, ani nie będzie w dającej się przewidzieć przyszłości. Fizycy próbują więc zdobywać informacje o zjawiskach zachodzących podczas hadronizacji pośrednio, między innymi na podstawie analiz korelacji kwantowych, możliwych do uchwycenia między cząstkami wybiegającymi z obszaru zderzenia.
„W mechanice kwantowej do opisu cząstek używa się funkcji nazywanych falowymi. W przypadku, gdy w układzie mamy wiele cząstek, ich funkcje falowe będą się nakładać i dojdzie do interferencji, tak jak w przypadku zwykłych fal. O korelacjach Bosego-Einsteina mówimy wtedy, gdy interferujące funkcje falowe będą się wygaszać. Gdyby się wzmacniały, mówilibyśmy o korelacjach Fermiego-Diraca”, wprowadza w zagadnienie prof. dr hab. inż. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN).
W artykule opublikowanym na łamach czasopisma „Journal of High Energy Physics” korelacje kwantowe badano w ramach modelu rdzeń-halo. Zakłada on, że przestrzenny obszar hardonizacji, z którego pochodzą cząstki wtórne rejestrowane po zderzeniu, można podzielić na dwie części: centralną nazywaną rdzeniem, gdzie są one produkowane bezpośrednio z plazmy kwarkowo-gluonowej lub w rozpadach formujących się z niej cząstek krótkożyciowych, oraz otoczki (czyli halo), gdzie pochodziłyby już tylko z rozpadów cząstek o dłuższych czasach życia. Istotny jest przy tym fakt, 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 wyłuskać informacje o rozmiarze i kształcie źródła, z którego są one emitowane, a nawet o tym, jak to źródło zmienia się w czasie oraz ile cząstek jest emitowanych z rdzenia, a ile z halo. Zdobywamy w ten sposób wiedzę o szczegółach samej hadronizacji, o dynamice wczesnego etapu produkcji cząstek”, dodaje dr inż. Miłosz Zdybał, współautor analizy.
Analizy przeprowadzono dla obserwowanych w ramach eksperymentu LHCb zderzeń protonów z protonami, koncentrując się na tych przypadkach, które doprowadziły do powstania trójek pionów (mezonów pi) o tym samym znaku ładunku elektrycznego. Dane, zebrane w 2013 roku, dotyczyły zderzeń o energii siedmiu teraelektronowoltów (TeV) oraz pionów emitowanych w tak zwanym obszarze „do przodu”, a więc tylko nieznacznie się rozbiegających względem kierunku pierwotnej wiązki protonów. W trakcie prac krakowscy fizycy bazowali na swoich wcześniejszych analizach sprzed dwóch lat, kiedy to dla podobnych zderzeń udało się wykazać istnienie korelacji kwantowych między parami wyemitowanych pionów.
„Produkcja trójek pionów w obecnie przebadanych przypadkach, dla cząstek rozchodzących się ‘do przodu’ z obszaru zderzenia, z jakichś powodów okazała się być koherentna. Mamy więc do czynienia z pierwszą obserwacją koherentnej produkcji cząstek z wykorzystaniem trójciałowych korelacji Bosego-Einsteina dla tak zwanych małych układów, czyli takich, w których proton zderza się z protonem lub z jonem”, podkreśla prof. Kucharczyk.
Czym innym jest obserwacja zjawiska, czym innym jego wyjaśnienie. Jakie procesy zachodzące podczas hadronizacji mogą odpowiadać za koherentną produkcję cząstek emitowanych wzdłuż pierwotnego kierunku wiązek protonowych? Coraz więcej wskazuje, że w małych systemach zderzeń może dochodzić do jakichś form zjawisk kolektywnych. Jednak w obecnych modelach nie ma mechanizmów zdolnych wytłumaczyć odkryte zjawisko i trudno przewidzieć, kiedy fizycy-teoretycy tę lukę wypełnią. Wiadomo jednak z pewnością, że gdy już to się stanie, będziemy bogatsi o kolejne informacje dotyczące przebiegu hadronizacji – procesu fundamentalnie ważnego dla kształtu naszej fizycznej rzeczywistości, a mimo to wciąż kryjącego tak wiele tajemnic.
Analizy przeprowadzone przez grupę naukowców z IFJ PAN były współfinansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki (NCN).
(IFJ)
