ALICE zbadał strukturę jądra ołowiu w skali 0,2 femtometra. Wyniki sugerują, iż gęsto upakowane gluony zaczynają zachowywać się kolektywnie.
Już sam proton jest niewyobrażalnie mały. Naukowcom z CERN udało się jednak zejść jeszcze niżej – do skali około 0,2 femtometra, czyli 0,0000000000000002 m. Nie zrobili jednak fotografii wnętrza materii. Zamiast tego wykorzystali cząstki powstające przy przelotach jąder ołowiu jako sondę i znaleźli sygnał, iż bardzo gęsto upakowane gluony zaczynają zachowywać się zupełnie inaczej, niż sugerował jeden z klasycznych modeli.
Jądra ołowiu minęły się dosłownie o włos
Eksperyment przeprowadziła kooperacja ALICE w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Co ciekawe, badacze nie interesowali się tym razem potężnym czołowym zderzeniem dwóch jąder. Wykorzystali tzw. kolizje ultraperyferyjne. Rozpędzone niemal do prędkości światła jądra ołowiu mijają się wtedy bardzo blisko, ale nie uderzają bezpośrednio w siebie. Otaczające je niezwykle silne pola elektromagnetyczne można w takich warunkach potraktować jak źródła wysokoenergetycznych fotonów. Jeden z nich może oddziaływać z drugim jądrem.
W wyniku takiego spotkania może powstać mezon J/ψ, złożony z kwarka powabnego i jego antykwarka. Liczba takich cząstek i sposób, w jaki są produkowane, zawierają informacje o rozmieszczeniu gluonów wewnątrz jądra. Jak pisaliśmy przy okazji zamiany ołowiu w złoto w eksperymencie ALICE, takie niemal-zderzenia jąder potrafią prowadzić do niezwykłych efektów bez klasycznej kolizji dwóch ciężkich obiektów.
Najważniejszym elementem nowego badania była możliwość zmiany skali, na której oglądano jądro. Analizując różny transfer pędu w oddziaływaniu, naukowcy mogli regulować rozdzielczość swojego subatomowego mikroskopu. Badali struktury w skalach około 0,6, 0,3 i wreszcie 0,2 femtometra. Najmniejsza odpowiada mniej więcej 1/4 rozmiaru protonu. Jednocześnie pomiary wykonano dla bardzo szerokiego zakresu energii oddziaływania fotonu z jądrem – od 20 do 633 GeV. To pierwsza analiza tego procesu, która równocześnie tak dokładnie śledziła zależność od energii i transferu pędu.
Gluonów nie może przybywać bez końca
Przy wysokich energiach wewnętrzna struktura protonu lub jądra zaczyna wyglądać bardzo osobliwie. Gluony mogą rozszczepiać się na kolejne gluony, więc wraz ze wzrostem energii ich liczba gwałtownie rośnie. Tyle iż nieskończone zagęszczanie nie ma tak naprawdę fizycznego sensu.
Chromodynamika kwantowa przewiduje, iż po osiągnięciu odpowiednio wysokiej gęstości zaczyna działać proces odwrotny: gluony coraz częściej ze sobą oddziałują i rekombinują. Produkcja oraz zanikanie zaczynają się równoważyć. Ten stan nazywa się nasyceniem gluonów. Można to porównać z coraz gęstszym tłumem. Dopóki ludzi jest niewielu, kolejne osoby mogą swobodnie wchodzić na plac. W pewnym momencie zrobi się jednak tak ciasno, iż każda kolejna zacznie wpływać na ruch całej grupy. Właśnie śladu takiego kolektywnego zachowania szukają fizycy od lat.
W danych ALICE pojawił się bardzo charakterystyczny wzór. Na najmniejszych badanych skalach wraz ze wzrostem energii produkcja mezonów J/ψ rosła wyraźnie słabiej, niż można byłoby oczekiwać. Efekt miał istotność statystyczną około 3 sigma. Do tej pory podobne wyniki można było tłumaczyć zjawiskiem określanym jako nuclear shadowing, czyli cieniowaniem jądrowym. W dużym uproszczeniu gluony znajdujące się w dużym jądrze częściowo nakładają się z punktu widzenia wysokoenergetycznej sondy, przez co jądro nie zachowuje się jak zwykła suma niezależnych protonów i neutronów.
Problem w tym, iż najnowszych danych na najmniejszej skali standardowy model cieniowania nie potrafi już dobrze odtworzyć. Wynik jest za to zgodny z przewidywaniami modeli uwzględniających nasycenie gluonów.
To jeszcze nie jest ostateczny dowód na nasycenie. 3 sigma w fizyce cząstek to interesujący sygnał, ale daleko mu do poziomu 5 sigma zwykle wymaganego do ogłoszenia odkrycia. Po raz pierwszy udało się jednak eksperymentalnie znaleźć warunki, w których konkurencyjne wyjaśnienia zaczynają prowadzić do różnych przewidywań.
Dlaczego adekwatnie obchodzi nas zachowanie gluonów?
Ano dlatego, iż materia, którą widzimy wokół siebie, w dużej mierze jest produktem właśnie tej fizyki. Protony i neutrony składają się z kwarków, ale same masy kwarków odpowiadają tylko za niewielką część masy nukleonu. Zdecydowana większość bierze się z energii związanej z niezwykle intensywnym oddziaływaniem kwarków i gluonów.
Prawidłowe zrozumienie zachowania gluonów oznacza więc tak naprawdę zrozumienie mechanizmu budującego znaczną część masy zwykłej materii. ALICE będzie miał jeszcze lepsze dane z kolejnych kampanii LHC. Ten sam problem będzie jednym z głównych celów powstającego w USA Electron-Ion Collider, zaprojektowanego właśnie do precyzyjnego oglądania struktury protonów i jąder.
Zobacz także:
Jak pisaliśmy w tekście: Rosjanie myśleli, iż bez nich to nie zadziała. Polacy złamali ich sprzęt, sam ALICE przechodzi w tej chwili dużą technologiczną przebudowę i przygotowuje się do jeszcze bardziej wymagających pomiarów. Najnowszy wynik jest więc raczej początkiem niż końcem historii. Naukowcy zeszli do obszaru o rozmiarze 0,2 femtometra i właśnie tam jedna ze starych odpowiedzi przestała im wystarczać.
