Co podsłuchuje ALICJA w Wielkim Zderzaczu Hadronów?

Badania te - których nowe wyniki opublikowano w "Nature" - pomogą lepiej zrozumieć, co się dzieje we wnętrzach gwiazd neutronowych. W eksperymencie biorą udział Polacy.

Zwykła materia, z którą mamy na co dzień do czynienia - np. protony i neutrony, wchodzące w skład atomów - zbudowana jest zwykle z kwarków górnych (u) i dolnych (d). To jednak nie wszystkie kwarki, jakie istnieją we Wszechświecie. Opisano jeszcze bardziej masywne kwarki: dziwne (s), powabne (c), prawdziwe (t) i piękne (b). Te jednak znacznie trudniej jest zaobserwować.

W ramach eksperymentu ALICE w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN pod Genewą międzynarodowy zespół naukowców wziął na warsztat najmniej masywne z tych niestandardowych kwarków - kwarki dziwne (s). A konkretnie - badacze chcieli bliżej poznać oddziaływania materii, w skład której wchodzi choć jeden kwark dziwny. Publikacja na ten temat ukazała się właśnie w "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).

"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. Nasza grupa jest liderem w tym obszarze wiedzy" - podsumowuje w rozmowie z PAP prof. Adam Kisiel z Politechniki Warszawskiej.

Naukowiec 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.

Gwiazdy neutronowe są to pozostałości po wybuchach supernowych. Są jednymi z najgęstszych obiektów we Wszechświecie (nie licząc czarnych dziur). Gdyby ścisnąć Słońce tak, aby miało średnicę Warszawy (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" - mówi prof. Kisiel.

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" - mówi.

Oddziaływania cząstek najłatwiej jest badać, wytwarzając z nich wiązkę i zderzając ją z inną wiązką lub tarczą. Niestety, materia dziwna rozpada się bardzo, bardzo 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 Łukasz Graczykowski. I dodaje: "W LHC w wyniku wysokoenergetycznych zderzeń protonów oraz ciężkich jonów, powstaje bardzo dużo cząstek dziwnych. Możemy się więc nazwać ich 'fabryką'. Jesteśmy wyjątkowym miejscem na świecie, gdzie możemy cząstki dziwne dokładnie badać" - mówi.

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.

"LHC to nie tylko szukanie bozonu Higgsa. Nasze badania pokazują, że zderzenia w LHC można wykorzystywać do badań cząstek na niestandardowe sposoby" - podsumowuje dr Graczykowski. Badania te - dodaje - pokazują też silne powiązanie między fizyką cząstek a zdarzeniami dużych skalach, rejestrowanymi w obserwacjach astronomicznych.

Ludwika Tomala