Gdy w tunelu akceleratora LHC w ośrodku CERN pod Genewą zderzają się jądra ołowiu pędzące niemal z prędkością światła, materia na ułamki sekund przechodzi do najbardziej egzotycznego stanu znanego współczesnej fizyce. Staje się plazmą kwarkowo-gluonową. Nowe informacje o właściwościach tej plazmy, zebrane dzięki analizie strumieni penetrujących ją cząstek, zostały właśnie opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Physical Review Letters” przez międzynarodowy zespół fizyków pracujących przy detektorze ATLAS.

Tuż po uformowaniu się czasoprzestrzeni w Wielkim Wybuchu, Wszechświat wypełniała materia o niezwykłych cechach. Kwarki i gluony, dziś trwale uwięzione we wnętrzach protonów i neutronów, poruszały się swobodnie, tworząc jednorodną „zupę”: plazmę kwarkowo-gluonową. Ten wyjątkowy stan materii, pojawiający się dopiero w temperaturach liczonych w bilionach stopni, fizycy potrafią wytwarzać w akceleratorze LHC, w zderzeniach ciężkich jąder atomowych (ołowiu).

Zbadać plazmę

Badanie plazmy kwarkowo-gluonowej jest ogromnym wyzwaniem. Pojawia się ona w dość rzadkich zderzeniach, w bardzo małych ilościach. Na dodatek istnieje tylko ułamki sekund: zaraz po powstaniu zaczyna ekspandować pod własnym ciśnieniem, błyskawicznie stygnie i przekształca się w lawiny zwyczajnych cząstek. Co więcej, współczesna fizyka nie dysponuje narzędziami zdolnymi bezpośrednio obserwować kwarki czy gluony. Nie można więc postąpić tak jak np. przy zwykłych pomiarach temperatury: wziąć termometr, wsadzić w plazmę i poczekać, aż wyświetli się wynik. Potrzebne są znacznie bardziej wyrafinowane metody.

- Na szczęście detektory takie jak ATLAS potrafią rejestrować produkty rozpadów cząstek, które z plazmą kwarkowo-gluonową oddziaływały. Starannie analizując właściwości tych cząstek możemy wyciągać wnioski o cechach samej plazmy - mówi prof. dr hab. Barbara Wosiek z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie, która koordynowała i zatwierdzała prace zespołu z Columbia University, zajmującego się analizą danych zebranych w detektorze ATLAS w 2011 roku.

Najwięcej informacji o plazmie kwarkowo-gluonowej niosą cząstki, które w wyniku zderzenia rozbiegają się „na boki”. Ich specyficzny kierunek ruchu, poprzeczny względem pierwotnego kierunku lotu jąder ołowiu, pozwala je względnie łatwo odróżnić od tysięcy innych cząstek i jednocześnie gwarantuje, że są one rezultatem wczesnego etapu zderzenia. A skoro tak, to musiały tuż po zderzeniu przedrzeć się przez obłok plazmy kwarkowo-gluonowej, by następnie rozpaść się na skupione,wąskie strugi cząstek, nazywane dżetami.

Rekonstrukcja dżetów

- Te pierwotne cząstki przechodząc przez gęstą i gorącą plazmę tracą energię, co prowadzi do zanikania wysokoenergetycznych dżetów. W trakcie naszej analizy zajmowaliśmy się rekonstrukcją dżetów o bardzo dużych energiach, sięgających 400 gigaelektronowoltów - uzupełnia prof. Wosiek.

Po zrekonstruowaniu dżetów zarejestrowanych dla zderzeń jąder ołowiu, zespół fizyków zestawił wyniki z wnioskami z analizy zderzeń proton-proton. Idea stojąca za takim porównaniem była prosta. Z dość precyzyjnego opisu teoretycznego zderzeń protonów wynika, że nie może w nich powstawać plazma kwarkowo-gluonowa. Z kolei modele teoretyczne zderzeń ciężkich jąder przewidują formowanie się gęstej plazmy w czołowych zderzeniach jądro-jądro przy bardzo wysokich energiach. Zestawiając wyniki analiz obu rodzajów zderzeń można więc ocenić, jak dżety oddziałują z plazmą.

„W zderzeniach jąder ołowiu zarejestrowaliśmy aż o połowę mniej dżetów niż w zderzeniach protonów. Oznacza to, że cząstki powstałe w pierwotnym akcie zderzenia straciły energię na skutek oddziaływania z plazmą, co w konsekwencji spowodowało wygaszenie wysokoenergetycznych dżetów. To ważny wynik, ponieważ pozwala odrzucić część modeli teoretycznych plazmy kwarkowo-gluonowej, które tak silnego tłumienia nie przewidują”, wyjaśnia prof. Wosiek.

ATLAS jak kamienica

Detektor ATLAS to skomplikowane urządzenie o rozmiarach kilkupiętrowej kamienicy. W jego budowę od początku były zaangażowane instytucje naukowe z Polski, w tym IFJ PAN. Dane o zderzeniach cząstek, które zbiera ATLAS płyną ponad 100 milionami kanałów elektronicznych, z których w trakcie typowych pomiarów ponad 99% pracuje poprawnie.

Zderzenia jąder ołowiu to jeden z elementów programu badawczego realizowanego przez międzynarodowe grupy naukowców w największych eksperymentach przy akceleratorze LHC. Główna tematyka badań dotyczy tu jednak zderzeń proton-proton, wykorzystywanych do weryfikowania poprawności współczesnej teorii budowy materii – Modelu Standardowego – oraz do poszukiwania zjawisk wykraczających poza ten opis. Spektakularnym sukcesem fizyków pracujących przy detektorach ATLAS i CMS w LHC było odkrycie w 2012 roku poszukiwanego od półwiecza bozonu Higgsa.

Czytaj więcej: LHC, NAJWIĘKSZY AKCELERATOR NA ŚWIECIE GOTOWY DO PONOWNEGO URUCHOMIENIA