Publikacja eksperymentu ALICE w "Nature"

Kwark powabny (c) w pęku partonowym traci energię, emitując promieniowanie w postaci gluonów (g). Kaskada ukazuje martwy stożek tłumionego promieniowania wokół kwarku dla kątów mniejszych niż stosunek masy kwarku (m) do energii (E). Energia spada na każdym etapie kaskady. (Źródło: CERN)

Eksperyment ALICE dokonuje pierwszej bezpośredniej obserwacji fundamentalnego efektu w fizyce cząstek elementarnych. Obserwacja ta jest również pierwszym bezpośrednim potwierdzeniem niezerowej masy cząstki elementarnej znanej jako kwark powabny.

Kolaboracja eksperymentu ALICE na Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN dokonała pierwszej bezpośredniej obserwacji tzw. efektu martwego stożka (ang. dead-cone effect) – fundamentalnej cechy teorii oddziaływania silnego, które wiąże kwarki i gluony razem w protony, neutrony i ostatecznie wszystkie jądra atomowe. Oprócz potwierdzenia tego efektu, obserwacje, opisane w artykule opublikowanym dzisiaj w Nature, zapewniają bezpośredni eksperymentalny dostęp do masy pojedynczego kwarku powabnego, zanim zostanie on uwięziony w hadronach.

Kwarki i gluony, zwane łącznie partonami, powstają w zderzeniach cząstek, takich jak te, które mają miejsce w LHC. Po powstaniu partony przechodzą kaskadę zdarzeń zwaną “deszczem” partonów (ang. partonic shower), w którym tracą energię, emitując promieniowanie w postaci gluonów, które następnie również emitują gluony. Charakterystyka promieniowania powstałego pęku cząstek zależy od masy partonu emitującego gluon i przedstawia obszar wokół kierunku lotu partonu, w którym emisja gluonu jest tłumiona – tzw. martwy stożek.

Przewidywany trzydzieści lat temu na podstawie pierwszych zasad teorii oddziaływania silnego, efekt martwego stożka zaobserwowano pośrednio w zderzaczach cząstek. Jednak trudno było zaobserwować go bezpośrednio na podstawie wzorca kaskady promieniowania partonowego. Głównym tego powodem jest to, że martwy stożek może być wypełniony cząstkami, w które przekształca się emitujący parton oraz że trudno jest określić zmieniający się kierunek lotu partonu w trakcie kaskady.

ALICE przezwyciężyło te wyzwania, stosując najnowocześniejsze techniki analityczne do dużej próbki danych ze zderzeń proton-proton w LHC. Metody te pozwoliły zrekonstruować wstecz w czasie kaskadę partonów od jej produktów końcowych – sygnałów pozostawionych w detektorze przez skolimowany strumień cząstek zwany dżetem. Szukając dżetów, które zawierały cząstkę mającą w składzie kwark powabny, naukowcy byli w stanie zidentyfikować dżet stworzony przez ten rodzaj kwarku i prześledzić całą historię emisji gluonów przez kwark. Porównanie wzorca emisji gluonów kwarku powabnego z wzorcem gluonów i praktycznie bezmasowych kwarków ujawniło martwy stożek we wzorcu emisji kwarku powabnego.

Uzyskany wynik jest również bezpośrednim eksperymentalnym potwierdzeniem niezerowej masy kwarku powabnego, ponieważ teoria oddziaływania silnego przewiduje, że cząstki bezmasowe nie mają odpowiadających im martwych stożków.

W eksperymencie ALICE uczestniczą cztery polskie instytucje naukowe (Politechnika Warszawska, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Instytut Fizyki Jądrowej PAN oraz Akademia Górniczo-Hutnicza). Z PW w pracach eksperymentu uczestniczą pracownicy, doktoranci i studenci z kilku wydziałów (m. in. Fizyki, Elektroniki i Technik Informacyjnych oraz Elektrycznego), którzy zajmują się zarówno analizą danych jak i rozwojem kluczowych elementów oprogramowania oraz systemu wizualizacji zderzeń ALICE. Naukowcy z PW nie byli bezpośrednio zaangażowani w opublikowane badania, ale są 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.

Link bezpośredni do artykułu (Open Access):
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04572-w

Komunikat prasowy CERN:
https://home.cern/news/news/experiments/alice-makes-first-direct-observation-fundamental-effect-particle-physics

Komunikat prasowy kolaboracji ALICE:
https://alice-collaboration.web.cern.ch/ALiCE_deadcone