13.06.2022

Eksperyment ALICE przy LHC potwierdza istnienie masy kwarków


W zderzeniach protonów przy ekstremalnie wysokich energiach po raz pierwszy zaobserwowano zjawisko (tzw. efekt martwego stożka) świadczące o istnieniu masy kwarków. Tym spektakularnym osiągnięciem mogą się pochwalić fizycy i inżynierowie pracujący w eksperymencie ALICE przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC).

Publikacja na ten temat pt. Direct observation of the dead-cone effect in quantum chromodynamics ukazała się w czasopiśmie „Nature”. Współautorami artykułu są pracownicy i doktoranci z AGH.

fot. CERN; źródło: home.cern/resources/image/experiments/alice-images-gallery

Pochodzenie masy obiektów tworzących Wszechświat jest zagadnieniem szczególnie interesującym. Współczesna fizyka cząstek zakłada, że masy kwarków generowane są w wyniku oddziaływania z polem Higgsa, którego manifestacją jest niedawno odkryty bozon Higgsa. Wygenerowane w ten sposób masy kwarków stanowią zaledwie kilka procent masy nukleonu – protonu czy neutronu. Do tej pory pomiary mas kwarków wykonywano jedynie przy wykorzystaniu metod pośrednich, ale teraz, kolaboracja ALICE zaobserwowała zjawisko bezpośrednio świadczące o istnieniu masy jednego z kwarków – powabnego (c).

W wyniku zderzeń hadronów czy jonów przy gigantycznych energiach dostępnych na LHC następuje produkcja wysokoenergetycznych kwarków, które poruszając się w olbrzymim polu oddziaływań silnych, tracą energię, emitując gluony. Okazuje się, że ten proces emisji gluonów przebiega w charakterystyczny sposób w zależności energii kwarków. Kwarki o relatywnie małej energii emitują mniej gluonów do przodu – tzn. w małym stożku rozwarcia w kierunku ich ruchu. Wraz ze wzrostem energii kwarków ilość promieniowania w stożku również rośnie.

Aby zauważyć efekt zmniejszonej emisji gluonów do przodu – efekt martwego stożka – zrekonstruowano miliony dżetów wyprodukowane przez kwarki powabne w zderzeniach proton-proton przy energii 13 TeV, zgromadzone przez ALICE w trakcie trzech lat pracy akceleratora LHC.

Doświadczalne potwierdzenie istnienia zjawiska martwego stożka jest odkryciem o niebagatelnym znaczeniu. Teoria oddziaływań silnych – chromodynamika kwantowa – zakłada bowiem, że efekt ten może występować tylko w przypadku kwarków o niezerowej masie. Obecny wynik, opublikowany na łamach prestiżowego czasopisma „Nature”, jest więc pierwszym bezpośrednim doświadczalnym potwierdzeniem istnienia mas kwarków.

Kolaboracja ALICE planuje dalsze pomiary martwych stożków w procesach z udziałem kwarków o większych masach, w szczególności kwarku pięknego (b). Zmodernizowany detektor ALICE wkrótce rozpocznie pomiary zderzeń protonów oraz ciężkich jonów na LHC, przy krotności zderzeń 10-krotnie wyższej od tej w latach 2015–2018. Pozwoli to na precyzyjne pomiary produkcji ciężkich kwarków i badaniu ich masy.

W pracach kolaboracji ALICE uczestniczą pracownicy AGH z dwóch wydziałów: Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji oraz Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej. AGH jest członkiem Konsorcjum ALICE-PL, którego koordynatorem jest prof. Marek Kowalski z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. Kierownikiem współpracy ze strony AGH jest prof. Jacek Kitowski.

(tekst dzięki uprzejmości prof. Jacka Otwinowskiego, z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie)

Współautorzy z AGH:

  • dr hab. inż. Bartosz Baliś, prof. AGH (Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji),
  • prof. dr hab. inż. Marek Gorgoń (Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej)
  • dr hab. Adrian Horzyk, prof. AGH (Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej)
  • dr inż. Mirosław Jabłoński (Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej)
  • prof. dr hab. inż. Jacek Kitowski (Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji)
  • mgr inż. Piotr Konopka (Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej)
  • mgr inż. Sebastian Koryciak (Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji)
  • dr hab. inż. Paweł Russek, prof. AGH (Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji)

Tekst artykułu w czasopiśmie „Nature”