Nowe odkrycie w eksperymencie ALICE

Naukowcy z międzynarodowego eksperymentu ALICE w Wielkim Zderzaczu Hadronów ustalili masę swobodnego kwarka powabnego. Tym samym potwierdzili ustalenia teorii opisującej 1/4 świata. Badania zaowocowały publikacją w „Nature”, a wśród jej autorów są pracownicy i doktoranci z Politechniki Warszawskiej.

Kwark powabny to niezwykle mała cząstka elementarna, która uwielbia towarzystwo. Już ułamek sekundy od swoich narodzin (w tym wypadku jest to stutysięczna miliardowa miliardowej części sekundy – 10^-23) próbuje znaleźć sobie partnera lub partnerów.

Całkiem sporo wiemy już o własnościach hadronów, a więc związkach kwarków, ale wciąż brakuje nam danych, jak zachowują się kwarki, kiedy są zupełnie same. Postanowili to zbadać naukowcy z eksperymentu ALICE. Zaprojektowali eksperyment, który pozwoli ustalić własności kwarka powabnego w tej króciutkiej chwili, kiedy szuka partnera. Publikacja na ten temat ukazała się w „Nature”.

Jaka jest masa kwarka powabnego?

Wyzwaniem było rozpoznanie poszukujących partnera kwarków powabnych w obfitym prysznicu cząstek, które powstają w Wielkim Zderzaczu Hadronów.

– Eksperyment ALICE ma tę umiejętność, że potrafi te cząstki zmierzyć i zidentyfikować – w zakresie, który nas w badaniu kwarków powabnych interesował – wyjaśnia prof. Adam Kisiel z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej, uczestnik eksperymentu.

W przeszukiwaniu danych z detektorów i odnajdywaniu tam informacji o uwolnionych na chwilę kwarkach powabnych pomógł efekt tzw. martwego stożka. Teoria mówiła bowiem, że kwark powabny poszukujący partnera będzie tracił energię emitując cząstki (gluony) w pewien charakterystyczny sposób: żadna cząstka uciekająca z tego tracącego energię kwarka nie opuszcza go w kierunku jego lotu, powstaje więc tak zwany martwy stożek nieobserwowany dla kwarków lżejszych. Jest to obserwacja jednego z fundamentalnych efektów oddziaływań silnych.

Publikacja w „Nature” potwierdza właśnie doświadczalną obserwację takich martwych stożków i to, że dzięki nim można uzyskać wgląd w moment samotnego życia kwarka powabnego.

– Nasze badania to najbardziej bezpośrednie potwierdzenie, że swobodny kwark powabny ma masę – mówi dr inż. Łukasz Graczykowski z Wydziału Fizyki PW. – Masa ta wynosi ok. 1,28 GeV/c2, a więc ok. 2,29x10^-24 g. Można więc powiedzieć, że ok. pół miliona miliardów miliardów takich samotnych kwarków ważyłoby jeden gram.

Opis 1/4 świata

Polscy uczestnicy eksperymentu tłumaczą, że badania te są o tyle ważne, że potwierdzają ustalenia tzw. chromodynamiki kwantowej. Prof. Adam Kisiel przypomina, że aby opisać działanie świata, należy zrozumieć cztery oddziaływania: elektromagnetyczne, silne, słabe oraz grawitację.

– A chromodynamika kwantowa to teoria opisująca oddziaływania silne – a więc 1/4 świata – przypomina naukowiec z PW. – Fundamentalne jest więc pytanie, czy ten opis, którym się posługujemy, jest poprawny.

Żeby potwierdzić w praktyce, jak działa oddziaływanie silne, dobrze mieć w zanadrzu eksperymenty, w których można przez moment obserwować kwarki w stanie wolnym. Takie jak ten przeprowadzony w detektorze ALICE.

20 lat współpracy

W eksperymencie ALICE biorą udział cztery polskie instytucje naukowe: Politechnika Warszawska, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Instytut Fizyki Jądrowej PAN oraz Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie.

Od ok. dwóch dekad w eksperymencie uczestniczą pracownicy, doktoranci i studenci z kilku Wydziałów PW. Zajmują się oni analizą danych, rozwojem kluczowych elementów oprogramowania oraz systemu wizualizacji zderzeń ALICE.

Finalne analizy, które prowadzą do konkretnego odkrycia – jak w tym przypadku, wykonuje mała grupa naukowców. Ich praca jest jednak zwieńczeniem wysiłku wielu osób zaangażowanych w badania w ALICE, dlatego na liście autorów publikacji wymienia się zawsze, w kolejności alfabetycznej, wszystkie osoby uczestniczące w eksperymencie.

– Naukowcy z polskich instytucji nie byli bezpośrednio zaangażowani w finalną analizę przedstawioną w najnowszej pracy, ale jesteśmy dumni z uzyskanego wyniku, ponieważ pokazuje on, jak wszechstronnym eksperymentem jest ALICE i jak wysokiej jakości badania są możliwe dzięki wielostronnej współpracy międzynarodowej we wspólnym projekcie naukowym – zwraca uwagę dr inż. Łukasz Graczykowski z Wydziału Fizyki.

Współautorzy publikacji w „Nature” z Politechniki Warszawskiej:

mgr inż. Kamil Deja (Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych), dr inż. Łukasz Graczykowski (Wydział Fizyki), dr Rihan Haque (Wydział Fizyki), dr inż. Monika Jakubowska (Wydział Elektryczny), dr inż. Małgorzata Janik (Wydział Fizyki), mgr inż. Przemysław Karczmarczyk (Wydział Fizyki), prof. dr hab. inż. Adam Kisiel (Wydział Fizyki), dr Georgy Kornakov (Wydział Fizyki), mgr inż. Julian Myrcha (Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych), mgr inż. Piotr Nowakowski (Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych), dr inż. Janusz Oleniacz (Wydział Fizyki), prof. dr hab. inż. Przemysław Rokita (Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych), mgr inż. Wioleta Rzęsa (Wydział Fizyki), dr hab. inż. Tomasz Trzciński, prof. uczelni (Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych), dr hab. inż. Hanna Zbroszczyk, prof. uczelni (Wydział Fizyki).

Więcej informacji o najnowszym odkryciu eksperymentu ALICE w tekście na portalu naukawpolsce.pl i w artykule w „Nature”