18.11.2019
PL EN
09.05.2019 aktualizacja 10.05.2019

IFJ PAN: teoretyczne "ogniste smugi" mogą występować w rzeczywistości

„Ogniste smugi” do tej pory służyły do opisu ultrarelatywistycznych  zderzeń jąder ołowiu. Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w  Krakowie znaleźli je teraz także w znacznie prostszych zderzeniach,  zachodzących między pojedynczymi protonami. (Źródło: IFJ PAN, Dual Color) „Ogniste smugi” do tej pory służyły do opisu ultrarelatywistycznych zderzeń jąder ołowiu. Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie znaleźli je teraz także w znacznie prostszych zderzeniach, zachodzących między pojedynczymi protonami. (Źródło: IFJ PAN, Dual Color)

"Ognistym smugom", które według teorii formują się w zderzeniach proton-proton i jądro-jądro, prawdopodobnie odpowiadają rzeczywiste procesy fizyczne zachodzące w przepływach ekstremalnie gorącej materii kwantowej - wynika z badań naukowców z IFJ PAN.

O wynikach badań krakowskich fizyków, opublikowanych w czasopiśmie "Physical Review C", poinformował PAP Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie.

Jak tłumaczy w przesłanym komunikacie IFJ PAN, zderzenia jąder ołowiu zachodzą w ekstremalnych warunkach fizycznych. Opisanie ich przebiegu jest możliwe za pomocą modelu zakładającego, że przekształcająca się, ekstremalnie gorąca materia (czyli plazma kwarkowo-gluonowa) płynie w postaci setek smug. Owe "ogniste smugi" wydawały się dotychczas konstrukcjami czysto teoretycznymi. Jednak najnowsza analiza zderzeń pojedynczych protonów coraz mocniej sugeruje, że odpowiada im rzeczywiste zjawisko.

W przedstawionym w 2017 roku modelu zjawisk zachodzących w trakcie zderzeń jąder ołowiu przy wysokich energiach krakowscy fizycy założyli, że powstająca w tych zderzeniach plazma kwarkowo-gluonowa oddala się od miejsca kolizji w formie licznych smug, rozciągniętych wzdłuż pierwotnego kierunku ruchu jąder. Smugi te powinny poruszać się tym szybciej, im bardziej są odległe od osi zderzenia. W nowych badaniach naukowcy zastosowali model "smug ognistych" do znacznie prostszych zderzeń proton-proton.

Plazmy kwarkowo-gluonowej nie możemy jednak bezpośrednio obserwować: istnieje ona niezwykle krótko i na niewielkim obszarze przestrzeni (o rozmiarach zaledwie setek milionowych części jednej miliardowej metra). Na dodatek interakcje między cząstkami plazmy są zdominowane przez oddziaływania silne i są tak skomplikowane, że z ich opisem współczesna fizyka po prostu sobie nie radzi. Ślady plazmy kwarkowo-gluonowej widać tylko pośrednio: w cząstkach wybiegających z miejsca zderzenia. Teoria przewiduje bowiem, że jeśli plazma kwarkowo-gluonowa rzeczywiście się wytworzyła, detektory powinny rejestrować wyraźnie większą liczbę cząstek dziwnych (a więc takich, które zawierają kwarki dziwne s).

"Zderzenia proton-proton w akceleratorach w CERN produkują mało cząstek dziwnych. Powszechnie przyjmuje się więc, że w ich trakcie plazmakwarkowo-gluonowa nie powstaje" - tłumaczy jeden z autorów publikacji dr hab. Andrzej Rybicki (IFJ PAN). "Uwzględniliśmy ten fakt w naszym modelu smug ognistych, po czym skonfrontowaliśmy jego przewidywania z danymi z eksperymentu NA49 na akceleratorze SPS. Zgodność była zdumiewająco dobra. Można więc powiedzieć, że teraz +zobaczyliśmy+ smugę ognistą w jakościowo innych warunkach fizycznych, tam, gdzie w ogóle się jej nie spodziewaliśmy!" - opowiada.

"Kolizję dwóch jąder ołowiu musieliśmy modelować jako złożenie kilkuset smug. W takich warunkach trudno powiedzieć cokolwiek o własnościach pojedynczej smugi. Jednak gdy z modelu wyekstrahowaliśmy rozkład pospieszności, czyli relatywistycznej prędkości cząstek produkowanych przez pojedynczą smugę, okazało się, że jej kształt bardzo dobrze opisuje prawdziwe dane z pomiarów produkcji cząstek w zderzeniach proton-proton!" - precyzuje doktorant IFJ PAN Mirek Kiełbowicz.

Aby wykresy zgadzały się z danymi eksperymentalnymi, należało je przeskalować o czynnik 0,748. Krakowscy badacze wykazali, że parametr ten nie jest swobodny. Pojawia się on po uwzględnieniu w bilansie energetycznym zmian związanych z różną produkcją cząstek dziwnych i można go odtworzyć z danych eksperymentalnych. Był to kolejny silny argument wzmacniający fizyczną poprawność modelu.

"Pracuję nad modelem smug ognistych w ramach mojej pracy magisterskiej, więc nie zdziwiło mnie, że opisuje on dane ze zderzeń jądro-jądro w sporym zakresie energii" - wspomina Łukasz Rozpłochowski, student Uniwersytetu Jagiellońskiego współpracujący z grupą z IFJ PAN. "Kiedy jednak zobaczyłem, że wyekstrahowana przez nas funkcja fragmentacji tak dobrze zgadza się z danymi ze zderzeń proton-proton, trudno było ukryć zaskoczenie" - dodaje.

Materia powstająca w zderzeniach proton-proton, chłodniejsza i jakościowo inna niż plazma kwarkowo-gluonowa, wydaje się więc zachowywać jak pojedyncza ognista smuga. Jej pewne własności – takie jak prędkości emitowanych cząstek czy sposoby ich rozpadów – z jakiegoś powodu są zdumiewająco podobne do własności ognistych smug plazmy kwarkowo-gluonowej. A ponieważ plazma kwarkowo-gluonowa tworzy się przy większych energiach i w zderzeniach obiektów kwantowych o dużej złożoności, uprawnione staje się stwierdzenie, że to ona dziedziczy niektóre cechy materii formującej ogniste smugi w zderzeniach proton-proton.

"Gdy opisywaliśmy zderzenia jądro-jądro, ogniste smugi były dla nas jedynie pewnymi abstrakcyjnymi konstrukcjami, czymś czysto teoretycznym. Nie wnikaliśmy w ich fizyczną naturę, w to, czym mogą być w rzeczywistości. Przeżyliśmy prawdziwy wstrząs, gdy zestawiając dane eksperymentalne z naszym modelem odkryliśmy, że to, co powstaje w zderzeniach proton-proton, zachowuje się dokładnie tak jak nasza pojedyncza ognista smuga" - podsumowuje dr Rybicki.

PAP - Nauka w Polsce

kflo/ agt/

Copyright © Fundacja PAP 2019