Nowe odkrycie w Wielkim Zderzaczu Hadronów
Zespół naukowców pracujący przy kolaboracji TOTEM w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC, Large Hadron Collider) w ośrodku naukowym CERN pod Genewą ogłosił właśnie odkrycie odderonu – nieuchwytnego stanu trójgluonu, którego istnienie przewidziano już blisko 50 lat temu.
Badania dotyczyły najgłębszych cech chromodynamiki kwantowej (QCD), czyli teorii opisującej oddziaływania gluonów i kwarków.
Odkryty odderon składa się z nieparzystej liczby gluonów, które silnie ze sobą oddziałują. Gluony to bezmasowe cząstki elementarne pośredniczące w oddziaływaniach silnych polegających na wymianie gluonów między kwarkami lub pomiędzy samymi gluonami.
Stany składające się z dwóch, trzech lub większej liczby gluonów są nazywane kulami gluonowymi i są osobliwymi obiektami, odpowiedzialnymi za silne siły jądrowe QCD. Pojawienie się chromodynamiki kwantowej doprowadziło fizyków teoretyków do przewidzenia istnienia odderonu w 1973 roku. Udowodnienie jego istnienia było jednak dużym wyzwaniem eksperymentalnym wymagającym szczegółowych pomiarów własności protonów, uzyskiwanych podczas ich wysokoenergetycznych zderzeń w akceleratorze LHC.
Podczas, gdy większość zderzeń o wysokiej energii powoduje, że protony rozbijają się na kwarki i gluony, około 25% z nich to zderzenia sprężyste, w których protony pozostają nienaruszone, ale zmieniąją swoją trajektorię ruchu (odchylając się o około milimetr na odległości 200 m w LHC). TOTEM mierzy te małe odchylenia w rozpraszaniu proton-proton (pp) za pomocą dwóch detektorów umieszczonych 220 m po obu stronach detektora CMS (Compact Muon Solenoid) – jednego z czterech wielkich detektorów cząstek przy LHC – podczas gdy zespół DØ z laboratorium Fermilab zastosował podobną konfigurację w zderzaczu proton-antyproton (pp̄) Tevatron (w zderzaczu Tevatron w laboratorium Fermilab).
Przy niskich energiach różnice w rozpraszaniu pp vs pp̄ wynikają z wymiany różnych wirtualnych mezonów. Z drugiej strony, przy energiach multi-TeV oczekuje się, że w interakcjach protonów pośredniczą wyłącznie gluony. W szczególności elastyczne rozpraszanie przy małej wymianie pędów i wysokich energiach było od dawna rozumiane jako wymiana pomeronu – wirtualnej kuli gluonowej o neutralnym kolorze, składającej się z parzystej liczby gluonów.
W 2018 roku TOTEM ogłosił wyniki pomiarów przy wysokich energiach, których nie można było łatwo wyjaśnić tym tradycyjnym obrazem. Zamiast tego stwierdzono, że w grę wchodzi kolejny obiekt QCD, wskazujący na modele, w których udziaływują równocześnie trzy gluony lub taki, który zawiera większe nieparzyste liczby gluonów. Rozbieżność wyszła na jaw dzięki pomiarom tzw. parametru ρ, który reprezentuje stosunek części rzeczywistej i urojonej amplitudy rozpraszania sprężystego do przodu, gdy występuje minimalna wymiana gluonów między zderzającymi się protonami, a zatem niewielkie odchylenie w ich trajektoriach. Uzyskane wyniki były wystarczające, aby ogłosić potwierdzenie istnienia odderonu. Badania będa dalej kontynuowane.
Opracowano na podstawie:
Odderon discovered
Konsultacja naukowa:
Prof. dr hab. Janusz Gluza
Instytut Fizyki, Wydział Nauk Ścisłych i Technicznych
Uniwersytet Ślaski w Katowicach
