PW w eksperymencie ALICE (CERN)

Ważna publikacja w "Nature"

W ramach eksperymentu ALICE w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN pod Genewą międzynarodowy zespół naukowców wziął na warsztat kwarki dziwne (s). Badacze chcieli bliżej poznać oddziaływania materii, w skład której wchodzi choć jeden kwark dziwny. Publikacja na ten temat ukazały się właśnie w "Nature" (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, przewodniczący Rady Naukowej Centrum Badawczego POB Fizyka wysokich energii i technika eksperymentu.

>> Posłuchaj na żywo o eksperymencie ALICE. Zapraszamy na seminarium online (15 grudnia 2020 r.)

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 nasz badacz.

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.

Jak wytwarzać dziwną materię?

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, że 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.

Dziwna materia – dziwne metody

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. Jak dodaje, badania te pokazują też silne powiązanie między fizyką cząstek a zdarzeniami dużych skalach, rejestrowanymi w obserwacjach astronomicznych.

źródło: PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

Więcej o badaniach w artykule na stronie „Nature”

Współautorzy publikacji z Politechniki Warszawskiej:

mgr inż. Daniel Dąbrowski, mgr inż. Kamil Deja, dr inż. Łukasz Graczykowski, dr Rihan Haque, dr inż. Monika Jakubowska, dr inż. Małgorzata Janik, mgr inż. Przemysław Karczmarczyk, prof. dr hab. inż. Adam Kisiel, dr Georgy Kornakov, mgr inż. Julian Myrcha, mgr inż. Łukasz Neumann, mgr inż. Piotr Nowakowski, dr inż. Janusz Oleniacz, prof. dr hab. inż. Przemysław Rokita, mgr inż. Krystian Rosłon, dr hab. inż. Tomasz Trzciński, dr hab. inż. Hanna Zbroszczyk, prof. uczelni