Wielki Zderzacz Hadronów pracuje już przy tak wysokiej energii, że w procesach zderzeń zaczyna dominować nowy proces kreacji cząstek - twierdzą naukowcy Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. Na łamach czasopisma "Physics Letters B" opisują wyniki badań wskazujących, że mezony zawierające kwarki powabne, zaczynają powstawać w parach równie często jak pojedynczo - a nawet częściej.

Zderzenie protonów jest niezwykle złożonym procesem fizycznym, w którym w wyniku skomplikowanych oddziaływań powstaje wiele różnych cząstek. W dotychczasowych eksperymentach, prowadzonych przy niższej energii zderzeń rejestrowano na przykład pojedyncze mezony D0. Teraz, gdy LHC pracuje z większą mocą, mezony D0 pojawiają się parami. Naukowcy z IFJ PAN wyjaśnili istotę tego zjawiska i wykazali, że wraz ze wzrostem energii musi ono odgrywać rolę dominującą w produkcji cząstek powabnych, czyli takich, które zawierają kwarki lub antykwarki powabne.

Już kilka lat temu jako pierwsi przewidzieliśmy, że w wyniku zderzeń protonów o dostatecznie dużych energiach powinniśmy widzieć więcej mezonów powabnych, powstających w parach niż pojedynczo. Nasza najnowsza publikacja nie tylko szczegółowo opisuje, dlaczego tak się dzieje, ale także udowadnia, że efekt ten rzeczywiście jest już doskonale widoczny w akceleratorze LHC - mówi prof. dr hab. Antoni Szczurek.

Zgodnie z obecnie używanym przez fizyków Modelem Standardowym, cząstki, które uważamy za elementarne, pełnią różne funkcje. Bozony przenoszą oddziaływania: fotony - elektromagnetyczne, gluony - jądrowe silne, a bozony W+, W- i Z0 - jądrowe słabe. Materię tworzą fermiony. Należą do nich leptony - czyli elektrony, miony, taony oraz powiązane z nimi neutrina - oraz kwarki: dolne, górne, dziwne, powabne, piękne i prawdziwe. Trzy pierwsze rodzaje kwarków są nazywane lekkimi, trzy ostatnie - ciężkimi. Dodatkowo każdy kwark i lepton ma swojego antymaterialnego partnera. Dopełnieniem całości jest bozon Higgsa, który cząstkom (wszystkim poza gluonami i fotonami) nadaje masę.

W otaczającym nas świecie kwarki ciężkie występują w niewielkich ilościach i pojawiają się tylko na niezwykle krótki czas, głównie w atmosferze Ziemi. Cała widzialna, stabilna materia, w tym protony i neutrony, z których są zbudowane atomy, składa się z kwarków dolnych i górnych. Kwarki ciężkie mogą się pojawiać też w wyniku zderzeń cząstek z odpowiednio dużą energią. W przypadku kwarków powabnych dominującym procesem są zderzenia gluonów. W LHC dochodzi do nich podczas zderzeń protonu z protonem. Wskutek fuzji powstaje para kwark-antykwark. Ponieważ żaden z nich nie może istnieć samodzielnie, błyskawicznie wiążą się w pary z innymi kwarkami. Gdy w takiej parze jednym z kwarków jest kwark powabny, cząstkę nazywamy mezonem D, gdy antykwark powabny – antymezonem D.

Przy niższych energiach wynikiem zderzenia gluonów zwykle są dwie cząstki: mezon D0 i jego antypartner, czyli antymezon D0. My pokazaliśmy, że energie wytwarzane w akceleratorze LHC są jednak już tak duże, że w trakcie jednego zderzenia gluony rozpraszają się nie raz, a dwa lub nawet więcej razy. Efektem pojedynczego zderzenia może być wtedy nie jeden mezon D0, lecz dwa lub nawet więcej – plus, naturalnie, odpowiednie antymezony - wyjaśnia prof. Szczurek.

Analizę teoretyczną wsparto pomiarami zebranymi przez grupę LHCb, prowadzącą jeden z czterech głównych eksperymentów realizowanych przy akceleratorze LHC. W danych z eksperymentu LHCb widać wiele przypadków, gdy zamiast jednego mezonu D0 mamy dwa. Jest to dokładnie ten efekt, którego oczekiwaliśmy: produkcja bliźniaków zaczyna być równie prawdopodobna jak produkcja jedynaków. W przyszłych akceleratorach zjawisko to zacznie odgrywać wręcz dominującą rolę w produkcji cząstek powabnych. Zapewne zobaczymy wtedy także zderzenia, których efektem będą nie dwa, a trzy i więcej mezonów - mówi dr Rafał Maciuła. 

Potencjalnie wielokrotne rozpraszanie kwarków i gluonów może prowadzić do powstawania mezonów zawierających też inne ciężkie kwarki, np. piękne. Obliczenia krakowskich fizyków pokazują jednak, że przy obecnych energiach zderzeń w LHC procesy te są znacznie mniej prawdopodobne. Na razie musimy zadowolić się stwierdzeniem, że przy produkcji bliźniaków powab okazuje się znacznie korzystniejszy od piękna - komentuje prof. Szczurek.

Praca fizyków z IFJ PAN oraz współpracujących z nimi rosyjskich fizyków z Państwowego Uniwersytetu Lotniczego w Samarze mogą mieć istotne znaczenie dla eksperymentów, rejestrujących napływające z kosmosu neutrina, takich jak słynny detektor IceCube na Antarktydzie. Część z tych ulotnych cząstek może bowiem docierać do nas nie bezpośrednio z głębin Wszechświata, ale powstawać w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego o dużej energii z atmosferą naszej planety. W zderzeniach z atomami i cząsteczkami atmosfery, promieniowanie kosmiczne może tworzyć kwarki powabne, które następnie przekształcają się w nietrwałe mezony D. Jednymi z produktów ich rozpadów mogą być właśnie neutrina i antyneutrina. Badania krakowskich fizyków mogą pomóc w ustaleniu, ile obserwowanych neutrin rzeczywiście dotarło do nas z głębi kosmosu, a ile jest tylko szumem wynikającym z obecności atmosfery.

Na podstawie materiałów prasowych IFJ PAN w Krakowie.