Eksperyment TWOCRYST przeprowadzony w czerwcu 2025 roku przyniósł wyniki, które mogą otworzyć nowe ścieżki badawcze. Już teraz widać, że to może być jeden z tych momentów, które zapisują się w historii nauki.
Historyczny sukces eksperymentu TWOCRYST
Eksperyment TWOCRYST w CERN zakończył się spektakularnym sukcesem w dniach 21 i 22 czerwca 2025 roku. Po raz pierwszy udało się zaobserwować zjawisko podwójnego kanałowania kryształów przy imponującej energii 450 GeV. To osiągnięcie stanowi kamień milowy w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych.
Zespół badawczy na początku 2025 roku zainstalował w Wielkim Zderzaczu Hadronów specjalny zestaw eksperymentalny. Składał się on z dwóch zagiętych kryształów krzemowych, tarczy wolframowej oraz dwóch detektorów dwuwymiarowych – pikselowego i światłowodowego. Cała aparatura została umieszczona w specjalnych komorach, które umożliwiają precyzyjne pomiary.
Wyniki obserwacji okazały się zaskakująco zgodne z symulacjami teoretycznymi. To nie tylko potwierdza poprawność strategii ustawienia urządzeń, ale także waliduje modelowanie dynamiki wiązki cząstek, co jest niezwykle istotne dla przyszłych badań.
Międzynarodowy charakter przedsięwzięcia
Projekt TWOCRYST realizuje międzynarodowy zespół liczący ponad 60 naukowców pochodzących z 7 różnych krajów. Eksperyment stanowi część inicjatywy Physics Beyond Colliders Fixed-Target w CERN, której głównym celem jest poszukiwanie nowych zjawisk fizycznych przy wykorzystaniu alternatywnych metod badawczych.
Kierownik badań Pascal Hermes zwraca uwagę, że jednym z najważniejszych celów eksperymentu było sprawdzenie, czy cząstki mogą być odchylane sekwencyjnie przez oba kryształy. Proces nazwany podwójnym kanałowaniem wymaga niezwykłej precyzji i pełnej kontroli nad trajektoriami cząstek, co udało się osiągnąć po raz pierwszy w historii.
Nowe podejście do badania ulotnych cząstek
Tradycyjne metody badawcze okazują się często niewystarczające w przypadku barionów powabnych. Te szczególne cząstki rozpadają się w czasie krótszym niż jedna trylionowa sekundy, co sprawia, że jakiekolwiek pomiary ich właściwości stają się niezwykle trudnym wyzwaniem.
Konwencjonalne techniki wykorzystujące pola magnetyczne nie są w stanie wywołać mierzalnej precesji spinu w tak krótkim przedziale czasowym. Dlatego naukowcy z CERN opracowali zupełnie nowe podejście, wykorzystujące silne pola elektromagnetyczne wewnątrz zagiętych kryształów krzemowych.
Nowa metoda bazuje na zjawisku kanałowania planarnego w zagiętych kryształach. Gdy dodatnio naładowane hadrony przemieszczają się przez odpowiednio przygotowany kryształ, doświadczają niezwykle silnych pól odchylających w kompaktowej objętości.
Czytaj także: Co za szczęście! Najrzadszy rozpad barionu w historii zaobserwowany w CERN
Kryształy o długościach od 5 do 10 centymetrów, zagięte pod kątami od 5 do 15 miliradianów, pozwalają na osiągnięcie odchyleń niemożliwych do uzyskania przy użyciu konwencjonalnych magnesów. Tak duże kąty odchylenia na krótkich dystansach otwierają nowe możliwości precyzyjnych pomiarów momentów dipolowych, zarówno magnetycznych, jak i elektrycznych.
Zasada indukowania precesji spinu przez zagięte kryształy została po raz pierwszy zademonstrowana już w latach 90. XX wieku, ale dopiero teraz udało się zastosować ją w warunkach LHC przy energiach rzędu setek GeV.
Przewaga nad dotychczasowymi metodami
Model Standardowy, choć niezwykle skuteczny, wciąż pozostawia bez odpowiedzi kilka fundamentalnych pytań. Nie wyjaśnia on braku równowagi między materią a antymaterią, nie tłumaczy istnienia ciemnej materii ani wielu innych tajemnic Wszechświata.
Precyzyjne pomiary momentów dipolowych cząstek wielokrotnie w przeszłości stanowiły kluczowe testy dla ustalonych teorii. Czasem przynosiły zaskakujące wyniki wskazujące na nową fizykę. Jeśli obecne pomiary nie będą zgodne z przewidywaniami teoretycznymi, może to sugerować istnienie nieznanych dotąd zjawisk fizycznych.
Perspektywy dla przyszłych badań
Sukces eksperymentu TWOCRYST stanowi solidną podstawę dla przyszłego, pełnoskalowego eksperymentu ALADDIN w LHC. Ten ambitny projekt będzie badał nowe zjawiska fizyczne poprzez precyzyjne pomiary momentów dipolowych barionów powabnych.
Zebrane teraz dane pozwolą naukowcom określić wydajność kanałowania kryształu precesyjnego przy energiach istotnych dla eksperymentu ALADDIN. Na tej podstawie będzie można oszacować, ile czasu zajmie zebranie danych niezbędnych do realizacji pełnego programu badawczego.
Badacze planują teraz prowadzenie dalszych testów przy znacznie wyższych energiach, rzędu kilku teraelektronowoltów. Te pomiary przybliżą warunki eksperymentalne do tych, które będą panować podczas rzeczywistych badań nad barionami powabnymi.
Czytaj także: Najdokładniejszy pomiar bozonu Z w historii LHC właśnie ogłoszony. Fizycy nie spodziewali się takich rezultatów
Wyniki eksperymentu TWOCRYST mogą znacząco wpłynąć na projektowanie przyszłych badań z nieruchomymi tarczami. Nowe koncepcje kontroli wiązek w LHC i innych akceleratorach na całym świecie mogą skorzystać z doświadczeń zebranych podczas tego przełomowego projektu.
Technologia zagiętych kryształów otwiera nowy rozdział w zastosowaniach kryształów w fizyce wysokich energii. Możliwość precyzyjnego sterowania trajektoriami cząstek przy użyciu struktur krystalicznych może znaleźć zastosowanie nie tylko w badaniach podstawowych, ale także w przyszłych technologiach akceleratorowych.
Obserwacja pierwszego w historii podwójnego kanałowania kryształów przy najwyższej dotychczas osiągniętej energii stanowi dowód na to, że ambitne plany eksperymentu ALADDIN są realne. To osiągnięcie przybliża naukowców do odpowiedzi na fundamentalne pytania o naturę Wszechświata i może doprowadzić do odkryć, które zmienią nasze rozumienie fizyki.
Co dalej z badaniami?
Historia fizyki cząstek uczy nas, że wiele obiecujących odkryć wymaga lat weryfikacji i potwierdzenia. Eksperyment TWOCRYST to dopiero pierwszy krok w nowym kierunku badań, a przed naukowcami jeszcze długa droga do pełnego zrozumienia zaobserwowanych zjawisk.
Niemniej jednak, możliwość badania cząstek o tak krótkim czasie życia otwiera zupełnie nowe perspektywy. Jeśli uda się potwierdzić i rozwinąć tę metodę, może to znacząco przyspieszyć postęp w fizyce cząstek elementarnych. Czas pokaże, czy to naprawdę przełom, czy tylko kolejny krok w niekończącym się procesie poznawania Wszechświata.