W LHC zaobserwowano efekt martwego stożka

30-letnia zagadka fizyki. Rozwiązanie znaleziono w LHC

Fizycy z LHC dokonali obserwacji fundamentalnego efektu w fizyce cząstek elementarnych. Obserwacja zapewnia bezpośredni dostęp eksperymentalny do masy kwarka powabnego.

Naukowcy z eksperymentu ALICE, jednego z detektorów Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), dokonali pierwszej bezpośredniej obserwacji efektu martwego stożka – fundamentalnej cechy oddziaływań silnych, które wiążą kwarki i gluony w protony, neutrony i ostatecznie wszystkie jądra atomowe. Zdarzenie opisane w Nature zapewnia bezpośredni dostęp do masy kwarka powabnego, zanim zostanie on zamknięty wewnątrz hadronu.

Bezpośrednia obserwacja martwego stożka była bardzo trudna. Jednak dzięki wykorzystaniu trzyletnich danych ze zderzeń proton-proton w LHC oraz wyrafinowanych technik analizy danych udało nam się go odkryć.Luciano Musa, rzecznik ALICE

Tajemnice partonów

Kwarki i gluony (partony) są produkowane podczas zderzeń cząstek, do których dochodzi w LHC. Kiedy powstaną, przechodzą one serię zdarzeń zwaną prysznicem partonowym, w wyniku której tracę energię i emitują gluony. Wzór promieniowania deszczu partonowego zależy od masy cząstki emitującej gluon i obejmuje obszar wokół kierunku lotu partonu – to tzw. martwy stożek. Jego istnienie przewidziano 30 lat temu na podstawie pierwszy założeń teorii oddziaływań silnych. Pośrednio obserwowano go w akceleratorach cząstek, ale nie udawało się tego dokonać bezpośrednio.

Czytaj też: Jak zbudowane są jądra atomowe? Eksperyment Marathon rzuca nowe światło na kwarki

Głównymi przyczynami takiego stanu rzeczy jest fakt, że martwy stożek może być wypełniony cząstkami, w które przekształca się emitujący parton, a także to, że trudno jest określić zmieniający się kierunek partonu w trakcie całego procesu rozpraszania.

Fizycy ALICE zastosowali najnowocześniejsze techniki analizy próbek zderzeń proton-proton w LHC, które pozwalają „cofnąć w czasie” strumień partonów w stosunku do jego produktów końcowych (tzw. dżetów). Szukając takich z nich, w których znajdowały się kwarki powabne, fizycy byli w stanie zidentyfikować dżet utworzony przez ten rodzaj kwarka i prześledzić całą historię emisji gluonów. W ten sposób udało się ujawnić martwy stożek we wzorze kwarka powabnego. Wyniki te bezpośrednio wskazują na masę tej cząstki elementarnej.

Masy kwarków są fundamentalnymi wielkościami w fizyce cząstek elementarnych, ale nie można ich bezpośrednio mierzyć w eksperymentach, ponieważ, z wyjątkiem kwarka górnego, kwarki są zamknięte wewnątrz cząstek złożonych. Nasza udana technika bezpośredniej obserwacji martwego stożka prysznica partonowego może zaoferować sposób na zmierzenie mas kwarków.Andrea Dainese, koordynator projektu ALICE