Każdy proton i neutron składa się z trzech kwarków, utrzymywanych razem dzięki oddziaływaniom silnym, przenoszonym przez gluony. Intuicja podpowiada, że dostarczenie odpowiednio dużej energii powinno pozwolić rozbić proton i wydobyć jego składniki. Tymczasem nawet w najpotężniejszych akceleratorach nie udaje się uzyskać swobodnego kwarka.

Odpowiada za to szczególna natura oddziaływań silnych. Podczas gdy przyciąganie lub odpychanie elektryczne maleje wraz z odległością, rozdzielanie kwarków wymaga dostarczania coraz większej energii. Przypomina to rozciąganie elastycznej taśmy: zamiast uwolnić jej koniec, możemy doprowadzić do jej zerwania, tworząc w efekcie dwie taśmy. W przypadku kwarków zgromadzona energia umożliwia powstanie nowych cząstek, a nie wyizolowanie pojedynczego składnika. Fizycy mówią o uwięzieniu kwarków.

W Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) protony rozpędzane są niemal do prędkości światła, a następnie zderzane ze sobą. W wyniku takich zderzeń wysokoenergetyczne kwarki i gluony mogą wielokrotnie emitować kolejne gluony i rozdzielać się na nowe składniki. Powstaje rozbudowana kaskada, której końcowym etapem jest hadronizacja, czyli formowanie cząstek złożonych z kwarków, takich jak protony i piony. Detektory rejestrują je w postaci skupionych strumieni, zwanych dżetami. Ich układ przypomina snopy iskier rozpryskujących się w podobnych kierunkach.

W opisie tego procesu istnieje jednak zasadnicza trudność. Przy bardzo dużych energiach oddziaływania między kwarkami i gluonami są względnie słabe, dlatego ich zachowanie można przewidywać za pomocą precyzyjnych obliczeń. Gdy energia charakterystyczna dla oddziaływania maleje, siły stają się coraz większe, a stosowane metody rachunkowe tracą skuteczność. To właśnie wtedy zaczynają dominować zjawiska prowadzące do powstawania hadronów. Granica między obszarem dobrze opisanym teoretycznie a tym, w którym nasze możliwości obliczeniowe są ograniczone, stanowi jeden z ważnych problemów fizyki cząstek.

Naukowcy z eksperymentu ALICE postanowili poszukać tej granicy w strukturze dżetów. Wykorzystali dane pochodzące z około 870 milionów zderzeń protonów. Zamiast skupiać się na liczbie wyprodukowanych cząstek, badali wzajemne kierunki ich ruchu oraz pędy. Dla każdej pary cząstek sprawdzali, jak bardzo różnią się ich kierunki, przywiązując większą wagę do par niosących większy pęd. Przypomina to analizowanie zdjęcia fajerwerków, na którym rozmieszczenie i jasność poszczególnych iskier pozwalają odtworzyć charakter wybuchu.

Uzyskane rozkłady ujawniły dwa odmienne sposoby zachowania cząstek. Przy większych różnicach kierunków ruchu wyniki odpowiadały przewidywaniom dotyczącym rozgałęziania się kwarków i gluonów. Przy bardzo małych różnicach dominował natomiast charakterystyczny rozkład cząstek powstałych podczas hadronizacji. Między tymi obszarami pojawiło się wyraźne maksimum, wskazujące zakres przejścia między oboma mechanizmami.

Badacze zauważyli ponadto interesującą prawidłowość. W dżetach o większym pędzie maksimum występowało przy mniejszych różnicach kierunków ruchu cząstek. Kiedy jednak zestawiono te różnice z pędem całego dżetu, za każdym razem otrzymywano niemal identyczną wartość – około 2,4 GeV/c. Oznacza to, że w badanym zakresie dżetów przejście do obszaru zdominowanego przez hadronizację jest związane ze wspólną charakterystyczną skalą pędu.

Wyniki opublikowane w czasopiśmie Physical Review D dostarczają nowych danych do sprawdzania modeli oddziaływań silnych, szczególnie tych opisujących powstawanie hadronów. Mogą także okazać się przydatne w badaniach plazmy kwarkowo-gluonowej, czyli ekstremalnego stanu materii wytwarzanego w zderzeniach ciężkich jąder atomowych.

Eksperyment nie pozwolił bezpośrednio zobaczyć, jak pojedyncze kwarki łączą się w hadrony. Pokazał jednak, że w rozmieszczeniu cząstek powstających podczas zderzeń zachował się ślad tej przemiany. Dzięki niemu można coraz dokładniej badać mechanizm, który sprawia, że kwarki pozostają uwięzione, a otaczająca nas materia składa się z trwałych, złożonych cząstek.(PAP)

Nauka w Polsce

kmp/ bar/