ALICE w krainie subatomowych zagadek. Szczególny eksperyment w CERN

Zwykła materia, z którą mamy na co dzień do czynienia - np. protony i neutrony, wchodzące w skład atomów - zbudowana jest przeważnie z kwarków górnych (u) i dolnych (d). To jednak nie wszystkie kwarki, jakie istnieją we Wszechświecie - w modelu standardowym opisującym obowiązującą teorię cząstek elementarnych naliczyć ich można znacznie więcej. Wskazuje się tam na istnienie bardziej masywnych kwarków: dziwnych (s), powabnych (c), prawdziwych (t) i pięknych (b). Te jednak znacznie trudniej jest zaobserwować.

Eksperyment z wykorzystaniem detektora ALICE (ang. A Large Ion Collider Experiment), działającego przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN pod Genewą, pozwala naukowcom badać najmniej masywne z tych bardziej zagadkowych kwarków - kwarki dziwne (s). Uściślając, badacze postanowili bliżej poznać oddziaływania w materii, która obejmuje choć jeden kwark dziwny.

Publikacja na ten temat ukazała się ostatnio w magazynie "Nature" (doi 10.1038/s41586-020-3001-6). Dotyczy ona oddziaływań protonów z cząstkami ksi oraz omega - trudnych do zbadania cząstek, składających się z odpowiednio dwóch oraz trzech kwarków dziwnych.

Profesor Adam Kisiel z Politechniki Warszawskiej - której pracownicy są aktywnie zaangażowani w tok projektu - tłumaczy, do czego może się przydać poznanie oddziaływań dziwnej materii. "Choć to badania podstawowe, to bezpośrednio są one związane z modelowaniem zjawisk w gwiazdach neutronowych, a także w zderzeniach gwiazd neutronowych" - mówi naukowiec.

Nasza grupa z Politechniki Warszawskiej od wielu dekad zajmuje się badaniem oddziaływań między parami cząstek poprzez pomiar ich korelacji. W eksperymencie ALICE uczestniczymy od początku zbierania danych - przygotowywaliśmy też teoretyczną podstawę badań takich korelacji.

Gwiazdy neutronowe są pozostałościami po wybuchach supernowych. Są jednymi z najgęstszych obiektów we Wszechświecie (nie licząc czarnych dziur). Gdyby ścisnąć Słońce tak, aby miało średnicę dużego miasta (10-20 km), to jego gęstość byłaby porównywalną z gęstością gwiazdy neutronowej.

Prof. Kisiel przypomina, że od kilku lat - także dzięki obserwacjom fal grawitacyjnych - naukowcy mają możliwość podglądania, co się dzieje w zderzeniach gwiazd neutronowych. "Jedną z kluczowych niewiadomych w zrozumieniu gwiazd neutronowych jest pytanie, czy w samym ich centrum znajdują się cząstki dziwne. Nasze przewidywania teoretyczne mówią, że mogłyby tam być. Nie do końca jednak wiemy jeszcze, jak oddziałują ze sobą cząstki dziwne i zwykłe - jak proton-neutron. A jeśli zmieniają się szczegóły tych oddziaływań, w dramatyczny sposób zmienia to i własności gwiazd neutronowych. Dlatego tak ważne jest, by te oddziaływania poznać" - wyjaśnia polski badacz.

Kolejny uczestnik eksperymentu ALICE - dr Łukasz Graczykowski z PW dodaje, że wynikająca z obserwacji masa gwiazd neutronowych nie zgadza się z niektórymi obliczeniami teoretycznymi. "Przyczyną tych różnic może być to, że nie znamy oddziaływań między materią zwykłą a materią dziwną. A jak te oddziaływania mierzyć - pokazują właśnie nasze badania" - wskazuje.

Oddziaływania cząstek najłatwiej jest badać, wytwarzając z nich wiązkę i zderzając ją z inną wiązką lub tarczą. Niestety, materia dziwna rozpada się niezmiernie szybko i niezwykle trudno jest z niej uformować wiązkę.

Naukowcy postanowili więc skorzystać z tego, że materia dziwna powstaje na ułamki sekund w zderzeniach innych, ciężkich cząstek. "W takim zderzeniu powstają kwarki i gluony. I wspólnie zaczynają tworzyć nowe cząstki zbudowane z kwarków. W tym również - kwarków dziwnych, które potem oddziałują z innymi cząstkami. My, mierząc sygnały docierające do detektora, jesteśmy w stanie wywnioskować, jak one ze sobą 'rozmawiały', jakie były między nimi oddziaływania" - opowiada dr Graczykowski.

LHC to nie tylko szukanie bozonu Higgsa. Nasze badania pokazują, że zderzenia w LHC można wykorzystywać do badań cząstek na niestandardowe sposoby. Badania te pokazują też silne powiązanie między fizyką cząstek a zdarzeniami dużych skalach, rejestrowanymi w obserwacjach astronomicznych. [...] W LHC w wyniku wysokoenergetycznych zderzeń protonów oraz ciężkich jonów, powstaje bardzo dużo cząstek dziwnych. Możemy więc nazwać się ich "fabryką". Jesteśmy wyjątkowym miejscem na świecie, gdzie możemy cząstki dziwne dokładnie badać.

Metoda, którą wykorzystują naukowcy, aby badać cząstki dziwne, nazywa się femtoskopią. Femtometr (10^-15 m, tysięczna miliardowej części milimetra) to mniej więcej rozmiar protonu. "Takich rozmiarów nie da się mierzyć bezpośrednio. Tymczasem femtoskopia pokazuje nam, jak ze zmierzonych pędów cząstek wydobyć informacje o rozmiarze źródła, z którego powstały. A to są właśnie rozmiary rzędu femtometrów" - mówi prof. Kisiel.

Dr Graczykowski dodaje, że metoda ta została stworzona do innych celów (np. pomiaru rozmiaru kropli plazmy kwarkowo-gluonowej). Naukowcy jednak pokazali, że można z niej zrobić użytek, aby precyzyjnie badać oddziaływania między różnymi parami cząstek, w tym również cząstkami zawierającymi kwarki dziwne.

Opracowanie: PAP/S24