Vanskelig å observere effekt bekrefter eksistens

Et fenomen som direkte beviser eksistensen av kvarkmasse har blitt observert for første gang i ekstremt energiske kollisjoner av blykjerner. Et team av fysikere som jobber med ALICE-detektoren ved Large Hadron Collider kan skryte av denne spektakulære prestasjonen – observasjonen av den døde kjegleeffekten.

Gjenstandene som utgjør vår fysiske hverdag kan ha mange ulike egenskaper. Blant disse spilles en grunnleggende rolle av massen. Til tross for at den er så grunnleggende, har masse en overraskende kompleks opprinnelse. Dens primære kilde er de komplekse interaksjonene som binder trillinger av kvarker i det indre av protoner og nøytroner. I moderne fysikk antas det at massene til kvarkene selv, som stammer fra deres interaksjoner med Higgs-feltet (dets manifestasjoner er de berømte Higgs-bosonene), bare bidrar med noen få prosent til massen til et proton eller nøytron. Dette har imidlertid bare vært en hypotese. Selv om massene av enkeltkvarker har blitt bestemt ut fra målinger i mange år, ble det kun brukt indirekte metoder. Nå, takket være innsatsen til forskere og ingeniører som jobber i Genève ved LHC i European Organization for Nuclear Research (CERN), har det endelig vært mulig å observere et fenomen som direkte beviser eksistensen av massen til en av de tunge kvarkene .

«Når blykjerner kolliderer ved LHC-partikkelakseleratoren, kan energitettheten bli så stor at protoner og nøytroner forfaller og for øyeblikket danner kvark-gluonplasma. Kvarkene inni beveger seg deretter i et kraftig felt med sterke interaksjoner og begynner å miste energi ved å sende ut gluoner. Men de gjør dette på en ganske særegen måte, som vårt team var det første som lykkes med å observere,» begynner prof. Marek Kowalski fra Institutt for kjernefysikk ved det polske vitenskapsakademiet (IFJ PAN) i Krakow å forklare. Prof. Kowalski er et av medlemmene i et stort internasjonalt samarbeid som utfører målinger ved hjelp av ALICE-detektoren.

Gluoner er partikler som bærer sterke interaksjoner mellom kvarker. Deres rolle er derfor lik den til fotoner, som er ansvarlige for de elektromagnetiske interaksjonene mellom for eksempel elektroner. Innen elektrodynamikk er det et fenomen med elektroner som bremser ned i et elektromagnetisk felt: de mister energi ved å sende ut fotoner og jo høyere energi elektronet har, desto oftere flyr fotonene i en retning som blir stadig mer i samsvar med bevegelsesretningen. Denne effekten er grunnlaget for frielektronlasere i dag – unike, kraftige enheter som er i stand til å produsere ultrakorte pulser av røntgenstråler.

“Elektroner som bremser i et magnetfelt liker å sende ut ‘forover’ fotoner, i en vinkelkjegle. Jo høyere deres opprinnelige energi, desto smalere er kjeglen. Quarks har helt motsatt forkjærlighet. Når de mister energi i et felt med sterke interaksjoner, sender de ut gluoner, men jo lavere energi og jo større masse av kvarken, jo færre gluoner flyr ‘forover’», sier prof. Kowalski og spesifiserer: «Det følger av teori om at det skal være en viss vinkelkjegle rundt kvarkens bevegelsesretning der gluoner ikke vises. Denne kjeglen – jo mer divergerende, jo lavere energi har kvarken og jo høyere masse – kalles den døde kjeglen.»

Teoretikere forutså fenomenet med den døde kjeglen for mer enn 30 år siden. Dessverre har dens eksistens i eksperimenter så langt bare blitt lagt merke til indirekte. Både fenomenets natur og opptaksprosessen er ekstremt vanskelig å observere direkte. En bremsende kvark avgir gluoner, som selv kan avgi ytterligere gluoner i forskjellige vinkler eller forvandles til sekundære partikler. Disse partiklene har mindre og mindre energier, så gluonene de sender ut vil unngå større og større døde kjegler. For å gjøre vondt verre kan individuelle detektorer bare registrere denne komplekse kaskaden i sin endelige tilstand, i forskjellige avstander fra kollisjonspunktet, og derfor til forskjellige tider. For å observere den døde kjegleeffekten, måtte millioner av kaskader produsert av sjarmkvarker rekonstrueres fra fragmentariske data. Analysen, utført med sofistikerte statistiske verktøy, inkluderte data samlet inn i løpet av de tre årene LHC var i drift.

Eksperimentell bekreftelse av eksistensen av det døde kjeglefenomenet er en prestasjon av betydelig fysisk betydning. Dette er fordi verden av kvarker og gluoner er styrt av sterke interaksjoner beskrevet av en teori kalt kvantekromodynamikk, som forutsier at den døde kjegleeffekten bare kan oppstå når en kvark som sender ut gluoner har en masse som ikke er null. Det nåværende resultatet, publisert i det prestisjetunge tidsskriftet Nature, er derfor den første direkte eksperimentelle bekreftelsen på eksistensen av kvarkmasser.

«I den gigantiske mengden data som er samlet inn ved ALICE-detektoren under kollisjonen av blykjerner og protoner, har vi sporet et fenomen som vi vet bare kan oppstå i naturen når kvarker har ikke-nullmasser. Nåværende målinger lar oss ikke anslå størrelsen på massen til sjarmkvarkene vi observerte, og de forteller oss heller ikke noe om massene av kvarker av andre slag. Så vi har en spektakulær suksess, men faktisk er det bare et forspill til en lang rekke med forskning, understreker prof. Kowalski.

Den første direkte observasjonen av den døde kjegleeffekten involverte bare gluoner som ble sendt ut av sjarm (c) kvarker. Forskere har nå til hensikt å lete etter døde kjegler i prosesser som involverer kvarker med større masser, spesielt skjønnhets (b) kvarker. Dette vil være en stor utfordring fordi jo høyere masse kvarken har, desto sjeldnere produseres den i kollisjoner, og derfor blir det vanskeligere å samle en rekke tilfeller som vil garantere tilstrekkelig pålitelighet av statistiske analyser.

Den rapporterte forskningen er av grunnleggende betydning for moderne fysikk. Dette er fordi standardmodellen er det grunnleggende verktøyet som for tiden brukes til å beskrive fenomener som involverer elementærpartikler. Masser av kvarker er nøkkelkonstantene her, ansvarlige for samsvaret mellom teoretisk beskrivelse og fysisk virkelighet. Det er derfor neppe overraskende at observasjonene av døde kjegler, som vekker håp om direkte målinger av kvarkmasser, er av så stor interesse for fysikere.

Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics (IFJ PAN) er for tiden et av de største forskningsinstituttene til det polske vitenskapsakademiet. Et bredt spekter av forskning utført ved IFJ PAN dekker grunnleggende og anvendte studier, fra partikkelfysikk og astrofysikk, gjennom hadronfysikk, høy-, middels- og lavenergikjernefysikk, fysikk av kondensert materie (inkludert materialteknikk), til ulike anvendelser av kjernefysikk i tverrfaglig forskning, som dekker medisinsk fysikk, dosimetri, stråling og miljøbiologi, miljøvern og andre relaterte disipliner. Den gjennomsnittlige årlige publikasjonsproduksjonen til IFJ PAN inkluderer over 600 vitenskapelige artikler i internasjonale tidsskrifter med stor gjennomslagskraft. Hvert år arrangerer instituttet rundt 20 internasjonale og nasjonale vitenskapelige konferanser. En av de viktigste fasilitetene til instituttet er Cyclotron Center Bronowice (CCB), som er en infrastruktur unik i Sentral-Europa, og fungerer som et klinisk og forskningssenter innen medisinsk og kjernefysikk. I tillegg driver IFJ PAN fire akkrediterte forsknings- og målelaboratorier. IFJ PAN er medlem av Marian Smoluchowski Kraków Research Consortium: “Matter-Energy-Future”, som i årene 2012-2017 nøt status som Leading National Research Center (KNOW) innen fysikk. I 2017 ga EU-kommisjonen instituttet prisen HR Excellence in Research. Instituttet har A+ kategori (den høyeste vitenskapelige kategorien i Polen) innen vitenskap og ingeniørfag.

KONTAKTER:

Prof. Marek Kowalski

Institutt for kjernefysikk, det polske vitenskapsakademiet

tlf.: +48 12 6628074

e-post: [email protected], [email protected]

VITENSKAPELIGE PUBLIKASJONER:

“Direkte observasjon av død-kjegleeffekten i kvantekromodynamikk”

ALICE Samarbeid

Nature 605, 440–446 (2022)

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

LENKER:

http://www.ifj.edu.pl/

Nettstedet til Institutt for kjernefysikk, det polske vitenskapsakademiet.

http://press.ifj.edu.pl/

Pressemeldinger fra Institutt for kjernefysikk, det polske vitenskapsakademiet.

BILDER:

IFJ220609b_fot01s.jpg

HR: http://press.ifj.edu.pl/news/2022/06/09/IFJ220609b_fot01.jpg

En kaskade av partikler og gluoner initiert av en decelererende sjarmkvark. Jo mer utviklet kaskaden er, jo lavere er energiene til sekundærpartikler og jo større åpningsvinkel for døde kjegler unngås av påfølgende gluoner. (Kilde: CERN)

---

---