Hvordan fødes hadroner ved de enorme energier, der er tilgængelige i LHC?

Vores verden består hovedsageligt af partikler bygget op af tre kvarker bundet af gluoner. Processen med at klæbe sammen af ​​kvarker, kaldet hadronisering, er stadig dårligt forstået. Fysikere fra Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences i Krakow, arbejder inden for LHCb-samarbejdet, har fået nye oplysninger om det, takket være analysen af ​​unikke data indsamlet i højenergikollisioner af protoner i LHC.

Når protoner accelereret til den største energi kolliderer med hinanden i LHC, deres komponentpartikler - kvarker og gluoner - skaber en forvirrende mellemtilstand. Den observation, at i kollisioner af så relativt simple partikler som protoner udviser denne mellemtilstand en væskes egenskaber, typisk for kollisioner af meget mere komplekse strukturer (tunge ioner), var en stor overraskelse. Egenskaber af denne type indikerer eksistensen af ​​en ny stoftilstand:et kvark-gluon-plasma, hvor kvarker og gluoner opfører sig næsten som frie partikler. Denne eksotiske væske afkøles øjeblikkeligt. Som resultat, kvarkerne og gluonerne genforbindes med hinanden i en proces kaldet hadronisering. Effekten af ​​dette er fødslen af ​​hadroner, partikler, der er klumper af to eller tre kvarker. Takket være den seneste analyse af data indsamlet ved energier på syv teraelektronvolt, forskere fra Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Krakow, arbejder inden for LHCb-samarbejdet, erhvervet ny information om mekanismen for hadronisering i proton-proton-kollisioner.

"Hovedrollen i protonkollisioner spilles af stærk interaktion, beskrevet af kvantekromodynamikken. De fænomener, der opstår under afkølingen af ​​kvark-gluon-plasmaet er, imidlertid, så kompleks med hensyn til beregning, at det indtil nu ikke har været muligt fuldt ud at forstå detaljerne i hadronisering. Og alligevel er det en proces af nøglebetydning! Det er takket være dette, at i de første øjeblikke efter Big Bang, det dominerende flertal af partikler, der danner vores daglige miljø, blev dannet af kvarker og gluoner, " siger lektor prof. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN).

I LHC, hadronisering er ekstremt hurtig, og forekommer i et ekstremt lille område omkring punktet for protonkollisionen:dens dimensioner når kun femtometer, eller milliontedele af en milliardtedel af en meter. Det er da ikke underligt, at direkte observation af denne proces i øjeblikket ikke er mulig. For at få information om kurset, fysikere skal række ud efter forskellige indirekte metoder. En nøglerolle spilles af kvantemekanikkens grundlæggende værktøj:en bølgefunktion, hvis egenskaber er kortlagt af egenskaberne af partikler af en given type (det er værd at bemærke, at selvom det er næsten 100 år siden fødslen af ​​kvantemekanikken, der eksisterer stadig forskellige fortolkninger af bølgefunktionen!).

"Bølgefunktionerne af identiske partikler vil effektivt overlappe hinanden, altså blande sig. Hvis de forstærkes som følge af interferens, vi taler om Bose-Einstein korrelationer, hvis de er undertrykt - Fermi-Dirac korrelationer. I vores analyser, vi var interesserede i forbedringerne, det er, Bose-Einstein korrelationerne. Vi ledte efter dem mellem pi-mesonerne, der fløj ud af hadroniseringsområdet i retninger tæt på den oprindelige retning af de kolliderende protonstråler, " forklarer ph.d.-studerende Bartosz Malecki (IFJ PAN).

Den anvendte metode blev oprindeligt udviklet til radioastronomi og kaldes HBT-interferometri (fra navnene på dens to skabere:Robert Hanbury Brown og Richard Twiss). Når det bruges med reference til partikler, HBT-interferometri gør det muligt at bestemme størrelsen af ​​området for hadronisering og dets udvikling over tid. Det hjælper med at give information om, for eksempel, om dette område er forskelligt for forskellige antal udsendte partikler eller for deres forskellige typer.

Dataene fra LHCb-detektoren gjorde det muligt at studere hadroniseringsprocessen i området med såkaldte små vinkler, dvs. for hadroner produceret i retninger tæt på retningen af ​​de oprindelige protonstråler. Analysen udført af gruppen fra IFJ PAN gav indikationer på, at parametrene, der beskriver kilden til hadronisering i denne unikke region, der er dækket af LHCb-eksperimentet ved LHC, er forskellige fra resultaterne opnået for større vinkler.

"Analysen, der gav disse interessante resultater, vil blive videreført i LHCb-eksperimentet for forskellige kollisionsenergier og forskellige typer kolliderende strukturer. Takket være dette, det vil være muligt at verificere nogle af modellerne, der beskriver hadronisering og, følgelig, for bedre at forstå forløbet af selve processen, " opsummerer prof. Mariusz Witek (IFJ PAN).

Arbejdet i teamet fra IFJ PAN blev delvist finansieret af OPUS-bevillingen fra det polske nationale videnskabscenter.

Henryk Niewodniczanski Institute of Nuclear Physics (IFJ PAN) er i øjeblikket det største forskningsinstitut under det polske videnskabsakademi. Den brede vifte af undersøgelser og aktiviteter i IFJ PAN omfatter grundlæggende og anvendt forskning, lige fra partikelfysik og astrofysik, gennem hadron fysik, høj-, medium-, og lavenergi kernefysik, kondenseret stoffysik (herunder materialeteknik), til forskellige anvendelser af metoder inden for kernefysik i tværfaglig forskning, dækker medicinsk fysik, dosimetri, stråling og miljøbiologi, miljøbeskyttelse, og andre relaterede discipliner. Det gennemsnitlige årlige udbytte af IFJ PAN omfatter mere end 600 videnskabelige artikler i Journal Citation Reports udgivet af Thomson Reuters. Den del af instituttet er Cyclotron Center Bronowice (CCB), som er en infrastruktur, unik i Centraleuropa, at tjene som et klinisk og forskningscenter inden for medicinsk og kernefysik. IFJ PAN er medlem af Marian Smoluchowski Krakow Research Consortium:"Matter-Energy-Future", som har status som et førende nationalt forskningscenter (KNOW) i fysik for årene 2012-2017. Instituttet er af A+ kategori (førende niveau i Polen) inden for videnskab og teknik.