„Direct observation of the dead-cone effect in quantum chromodynamics” ALICE Collaboration 

Nature 605, 440–446 (2022)

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04572-w

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).

Pochodzenie masy obiektów tworzących Wszechświat jest zagadnienie 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: Wydziału Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji oraz Wydziału 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, IFJ PAN)

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04572-w

  • 3 tygodnie temu