Więcej energii to więcej efektów – w zderzeniach protonów

3 października 2019

EurekAlert!: [https://eurekalert.org/pub_releases/2019-10/thni-mem100419.php]

W zderzeniach protonów z innymi protonami lub jądrami atomowymi powstają strumienie cząstek – dżety. Część z nich rozbiega się na boki, część zachowuje kierunek ruchu zbliżony do pierwotnego. (Źródło: IFJ PAN, P. Kotko)

Im większa energia zderzeń cząstek, tym ciekawsza fizyka. Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie znaleźli kolejne potwierdzenie tej tezy, tym razem w zderzeniach wysokoenergetycznych protonów z protonami bądź jądrami ołowiu.

Gdy proton z dużą energią zderza się z innym protonem lub jądrem atomowym, efektem kolizji są strumienie cząstek wtórnych, w żargonie fizyków nazywane dżetami. Część z nich rozbiega się na boki, jednak część zachowuje kierunek ruchu zbliżony do pierwotnego. O szczegółach przebiegu zderzenia decyduje nie tylko rodzaj zderzających się cząstek, ale również wiele innych czynników, a zwłaszcza ilość energii. Na łamach czasopisma „Physics Letters B” czteroosobowa grupa naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie wykazała, że przy największych energiach otrzymywanych w akceleratorze LHC dokładny opis przebiegu zderzeń protonów z protonami lub jądrami ołowiu wymaga uwzględnienia dodatkowych zjawisk.

W eksperymencie ATLAS przy akceleratorze LHC (CERN, Genewa) od lat rejestruje się kolizje dwóch przeciwbieżnych wiązek protonów bądź wiązki protonów z wiązką jąder ołowiu. Krakowscy badacze wzięli pod lupę najnowsze dane, dotyczące zderzeń o dużych energiach, sięgających pięciu teraelektronowoltów (czyli tysięcy miliardów eV). Szczególną uwagę poświęcono tym przypadkom, w których dżety wybiegające z punktu zderzenia poruszały się „do przodu”, czyli wzdłuż pierwotnego kierunku wiązek.

Protony, a także występujące w jądrach atomowych neutrony, nie są cząstkami elementarnymi. Zwykle mówi się, że składają się one z trzech kwarków, jest to jednak ogromne uproszczenie. W rzeczywistości każdy proton czy neutron to twór ekstremalnie dynamiczny, wypełniony nieustannie kipiącym morzem gluonów, czyli cząstek zlepiających kwarki. Z tą dynamiką wiąże się ciekawy fakt: w zależności od zachowania swoich cząstek składowych, czyli partonów, proton może być raz mniej, a raz bardziej gęsty. I to tłumaczy, dlaczego przypadki zderzeń z dżetami 'do przodu' są dla nas tak interesujące. Dotyczą one bowiem sytuacji, gdy jeden proton był rzadki, czyli zachowywał się jak pocisk, a drugi był gęsty, czyli zachowywał się jak tarcza”, wyjaśnia dr hab. Krzysztof Kutak (IFJ PAN).

W swoim opisie zderzeń wysokoenergetycznych protonów fizycy z IFJ PAN uwzględnili dwa wcześniej już znane zjawiska. Pierwsze z nich jest związane z faktem, że wraz ze zwiększaniem energii zderzeń rośnie liczba gluonów tworzących się wewnątrz protonów. Okazuje się, że proces ten nie trwa w nieskończoność. W pewnym momencie, przy dostatecznie dużej energii zderzeń, gluonów pojawia się tak dużo, że ich wzajemne oddziaływanie staje się nieliniowe i gluony zaczynają ze sobą rekombinować. Wytwarza się wtedy dynamiczna równowaga między procesem produkcji gluonów a ich rekombinacją. Efekt ten jest nazywany saturacją.

Drugim czynnikiem uwzględnionym przez krakowskich fizyków był efekt Sudakowa. Dotyczy on sytuacji, w których różnica pędów wygenerowanych dżetów jest większa od pędów partonów inicjujących produkcję dżetów. Ten nieoczekiwany wynik w rzeczywistości jest rezultatem kwantowych efektów związanych z emisją wirtualnych cząstek, pozornie łamiącym zasady zachowania pędu między partonami uczestniczącymi w zderzeniu. W ich wyniku prawdopodobieństwo wyprodukowania przeciwbieżnych dżetów zmniejsza się, podczas gdy produkcja dżetów nieprzeciwbieżnych wzrasta.

Zarówno efekt Sudakowa, jak i saturacja, są znane od pewnego czasu. Ich jednoczesne uwzględnienie było jednak zaniedbywane. To właśnie ekstremalne warunki, panujące przy rozważanej konfiguracji dżetów 'do przodu', zmotywowały nas do uwzględnienia obu efektów.” mówi dr hab. Andreas van Hameren (IFJ PAN).

Efekt Sudakowa brano już pod uwagę, jednak gdy wskutek wzrostu energii zderzeń proces staje się nieliniowy, należy konieczne uwzględnić także saturację”, precyzuje dr Piotr Kotko (IFJ PAN, AGH). Wypowiedź tę uzupełnia dr hab. Sebastian Sapeta (IFJ PAN): „My sami w jednej ze wcześniejszych prac uwzględniliśmy efekt Sudakowa, ale tylko w przypadkach, gdy część dżetów biegła 'do przodu', a część pozostawała w obszarze centralnym detektora, czyli rozbiegała się pod dużym kątem w stosunku do kierunku wiązki. Przy opisie takich zdarzeń pokazaliśmy, że saturację można pominąć”.

W swojej najnowszej publikacji krakowska grupa udowadnia, że aby opis teoretyczny zgadzał się z danymi eksperymentalnymi, zderzenia przy wysokich energiach wymagają uwzględnienia obu wspomnianych zjawisk jednocześnie. Omówiony artykuł to pierwszy tak kompletny opis produkcji dżetów „do przodu” w wysokoenergetycznych zderzeniach proton-proton i proton-jądro (ołowiu). Obecnie autorzy pracują nad rozszerzeniem zaproponowanego formalizmu na zderzenia z produkcją większej liczby dżetów i cząstek.

Przedstawione badania sfinansowano z grantu Narodowego Centrum Nauki.

[PDF]

Kontakt:

dr hab. Krzysztof Kutak
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 12 662 8312
email: krzysztof.kutak@ifj.edu.pl

dr hab. Sebastian Sapeta
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 12 662 8353
email: sebastian.sapeta@ifj.edu.pl

dr hab. Andreas van Hameren
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 12 662 8353
email: andre.hameren@ifj.edu.pl

dr Piotr Kotko
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 12 662 8426
email: piotr.kotko@ifj.edu.pl

Materiały graficzne:

W zderzeniach protonów z innymi protonami lub jądrami atomowymi powstają strumienie cząstek – dżety. Część z nich rozbiega się na boki, część zachowuje kierunek ruchu zbliżony do pierwotnego. (Źródło: IFJ PAN, P. Kotko)