Jak tłumaczy PAP dr Krzysztof Kutak, obecnie podstawowym celem hadronowej fizyki wysokich energii jest zrozumienie własności hadronów w sytuacji, gdy energia zderzenia jest rzędu energii w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), czyli 14 TeV. "Hadrony stanowią około 95 proc. obserwowanej masy Wszechświata, dlatego zrozumienie ich właściwości jest niezbędne, aby właściwie zinterpretować wyniki zderzeń. Ich elementami składowymi są kwarki i gluony, określane wspólnie jako partony. Oddziaływanie podczas zderzenia ma miejsce między partonami. Teorią, która opisuje oddziaływania hadronów jest Chromodynamika Kwantowa” – wyjaśnia dr Krzysztof Kutak, który w ramach grantu Lider Narodowego Centrum Badań i Rozwoju realizuje duży projekt wraz z zespołem badawczym w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN. Projekt ma przybliżyć zrozumienie własności hadronów w LHC.

To jeden z wielu ważnych projektów, w które angażują się polscy badacze. Na międzynarodowej konferencji w Krakowie debatowano, jakie eksperymenty akceleratorowe – z udziałem Polaków i nie tylko – powinny być przeprowadzane w najbliższych latach i jakie jeszcze efekty można osiągnąć używając tych akceleratorów, które obecnie są używane.

Jak wyliczał w rozmowie z PAP dr Kutak, plany rozwoju prac z wykorzystaniem LHC obejmują, obok zderzeń hadronów, również badanie zderzeń hadronu z elektronem w ramach projektu LHeC.

„Przeprowadzono podsumowanie obecnej wiedzy z fizyki cząstek, zebrano to wszystko, co wiadomo o protonie i wskazano, co jest jeszcze do osiągnięcia. Wciąż nieznana pozostaje odpowiedź na pytanie: skąd bierze się spin protonu; jeśli bowiem doda się spiny kwarków i gluonów, które wchodzą w skład protonu, to nie otrzymuje się dokładnej wartości spinu protonu. Niezbadana jest także sama struktura protonu przy wysokich energiach – mamy rozkłady partonów w protonie jedynie przy dość niskich energiach” – relacjonował obrady fizyk.

Kolejnym zagadnieniem, na jakie zwrócił uwagę, jest silna stała sprężania - wielkość, która określa siłę oddziaływań składników protonu ze sobą. Coraz dokładniejsze, pomiary tej wielkości są istotne dla precyzyjnego uzgodnienia teorii z doświadczeniem.

Wciąż zagadką pozostaje także cząstka Higgsa - w przyszłości planuje się dokładniej zbadać jej własności – bo choć fizycy określili, jaką ma masę, to nie wiedzą, czy jest to cząstka z obecnego Modelu Standardowego, czy spoza niego. Jest bowiem teoria supersymetryczna, która mówi, że każdej cząstce, jaką znamy odpowiada jakaś bardziej masywna cząstka ze spinem z przeciwnej statystyki. Być może cząstka Higgsa jest manifestacją tej teorii.

„Energia dostępna w LHC i obecne techniki eksperymentalne stwarzają nieosiągalne dotąd możliwości przeprowadzenia szczegółowych badań partonowej struktury protonu, jak również umożliwiają nowe odkrycia spoza Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych. Aby tego dokonać, należy znać z dużą precyzją zarówno elementy macierzowe na rozpraszanie partonów i produkcję cząstek, jak i gęstości partonowe” – mówi dr Kutak.

Tematyka jego własnej pracy badawczej w ramach projektu „Rozkłady partonowe i twarde elementy macierzowe - sformułowanie i aplikacja” dotyczy wypracowania metod teoretycznych i programów komputerowych do opisu danych zebranych w eksperymencie w LHC. Dr Kutak zamierza skonstruować i udostępnić eksperymentatorom program, który w oparciu o tzw. symulacje Monte Carlo opisywał będzie procesy zderzeń proton - proton i proton-ołów w LHC.

„Wspólnie z dr. A. van Hameren i dr. P. Kotko stworzyliśmy narzędzie dla fizyków do obliczania elementów macierzowych – matematyczny opis prawdopodobieństwa, że zachodzi pewien proces. W naszym podejściu te cząstki, które inicjują zderzenie, niosą pewien poprzeczny pęd. Do tej pory takie narzędzie uwzględniające pęd poprzeczny i przy tym w pełni automatyczne nie istniało. Własności cząstek wyprodukowanych w wyniku zderzania w akceleratorze np. hadronów, są mierzone w detektorze. Natomiast żeby wiedzieć, czego się spodziewać, należy wcześniej przeprowadzić symulację Monte Carlo takiego procesu. Właśnie do takiej symulacji będzie służył nasz program” – tłumaczy laureat programu LIDER.

Jego dodatkowym osiągnięciem jest zaproponowanie nowego równania nieliniowego opisującego ewolucje tzw. nieprzecałkowanego rozkładu gluonów z saturacją oraz wypracowane wspólnie z prof. W. Płaczkiem, mgr. D. Totonem, lic. K. Bożkiem algorytmy, które będą używane w rozwiązywaniu równań nieliniowych. Znajdą one zastosowania także poza fizyką, np. w biologii w wydajnym modelowaniu procesów typu „łowca-ofiara”. Obrazuje je sytuacja, gdy mamy do czynienia np. z populacją wilków i populacją zajęcy. Choć grupa zajęcy rośnie, to wilki nie mogą zjadać wszystkich osobników, bo w końcu zostałyby bez pożywienia.

W finansach podobne równania modelują relacje dwóch firm, które muszą zachować balans między współpracą a rywalizacją. W równaniach fizycznych badacze mają do czynienia z procesami kreacji i anihilacji cząstek, w pewnym momencie między nimi wytwarza się równowaga – tak, że nie usuwają się do zera.

W opinii dra Kutaka, w pracach nad generatorami Monte Carlo i w fizyce cząstek Polska ma mocną pozycję, prowadzone tu badania interesują wszystkich, a badacze są zapraszani na konferencje. Prężnie działają ośrodki w Krakowie, Warszawie, Kielcach, Katowicach i Wrocławiu.

Na konferencji dyskutowano nie tylko kwestie badawcze, ale również organizacyjne. Zastanawiano się, czy potrzebny jest strategiczny plan współpracy. Stwierdzono, że taka organizacja bardziej potrzebna jest zespołom prowadzącym doświadczenia, niż teoretykom, którzy indywidualnie nawiązują kontakty. Przykładowo dr Kutak współpracuje z DESY. W Polsce grupy doświadczalne to m.in. krakowscy badacze pracujący w kolaboracji ATLAS, ALICE i warszawscy – CMS.

Konferencja w Krakowie zarysowała możliwe kierunki rozwoju w fizyce wysokich energii. Dyrektor CERN Rolf Hoyer przychylnie patrzył na zaproponowane plany dalszych badań i rozszerzonego wykorzystania LHC w związku z coraz większym polem zainteresowania badaczy.

PAP – Nauka w Polsce, Karolina Olszewska