Vår värld består huvudsakligen av partiklar uppbyggda av tre kvarkar bundna av gluoner. Processen att hålla ihop kvarkar, kallad hadronisering, är fortfarande dåligt förstådd. Fysiker från Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences i Krakow, arbetar inom LHCb Collaboration, har fått ny information om det, tack vare analysen av unika data som samlats in vid högenergikollisioner av protoner i LHC.

När protoner som accelereras till den största energin kolliderar med varandra i LHC, deras ingående partiklar - kvarkar och gluoner - skapar ett förbryllande mellantillstånd. Observationen att i kollisioner av så relativt enkla partiklar som protoner uppvisar detta mellantillstånd egenskaperna hos en vätska, typiskt för kollisioner av mycket mer komplexa strukturer (tunga joner), var en stor överraskning. Egenskaper av denna typ indikerar existensen av ett nytt materiatillstånd:en kvarg-gluonplasma där kvarkar och gluoner uppför sig nästan som fria partiklar. Denna exotiska vätska svalnar omedelbart. Som ett resultat, kvarkarna och gluonerna återansluter till varandra i en process som kallas hadronisering. Effekten av detta är födelsen av hadroner, partiklar som är klumpar av två eller tre kvarkar. Tack vare den senaste analysen av data som samlats in vid energier av sju teraelektronvolt, forskare från Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Krakow, arbetar inom LHCb Collaboration, skaffat ny information om mekanismen för hadronisering vid proton-protonkollisioner.

"Huvudrollen i protonkollisioner spelas av stark interaktion, beskrivs av kvantkromodynamiken. De fenomen som uppstår under kylningen av kvarg-gluonplasman är, dock, så komplex när det gäller beräkningar att det hittills inte varit möjligt att helt förstå detaljerna i hadronisering. Och ändå är det en process av avgörande betydelse! Det är tack vare detta som i de första ögonblicken efter Big Bang, den dominerande majoriteten av partiklar som bildar vår vardagliga miljö bildades av kvarkar och gluoner, " säger assistent prof. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN).

I LHC, hadronisering är extremt snabb, och förekommer i ett extremt litet område runt punkten för protonkollision:dess dimensioner når endast femtometer, eller miljondelar av en miljarddels meter. Det är inte konstigt då, att direkt observation av denna process för närvarande inte är möjlig. För att få information om kursen, fysiker måste sträcka sig efter olika indirekta metoder. En nyckelroll spelas av kvantmekanikens grundläggande verktyg:en vågfunktion vars egenskaper kartläggs av egenskaperna hos partiklar av en given typ (det är värt att notera att även om det är nästan 100 år sedan kvantmekanikens födelse, det finns fortfarande olika tolkningar av vågfunktionen!).

"Vågfunktionerna för identiska partiklar kommer effektivt att överlappa varandra, d.v.s. störa. Om de förstärks som ett resultat av störningar, vi pratar om Bose-Einstein korrelationer, om de är undertryckta - Fermi-Dirac-korrelationer. I våra analyser, vi var intresserade av förbättringarna, det är, Bose-Einstein-korrelationerna. Vi letade efter dem mellan pi-mesonerna som flög ut ur området för hadronisering i riktningar nära den ursprungliga riktningen för de kolliderande strålarna av protoner, " förklarar doktorand Bartosz Malecki (IFJ PAN).

Metoden som användes utvecklades ursprungligen för radioastronomi och kallas HBT-interferometri (från namnen på dess två skapare:Robert Hanbury Brown och Richard Twiss). När det används med hänvisning till partiklar, HBT-interferometri gör det möjligt att bestämma storleken på området för hadronisering och dess utveckling över tiden. Det hjälper till att ge information om, till exempel, om detta område är olika för olika antal emitterade partiklar eller för deras olika typer.

Data från LHCb-detektorn gjorde det möjligt att studera hadroniseringsprocessen i området för så kallade små vinklar, d.v.s. för hadroner producerade i riktningar nära riktningen för de initiala protonstrålarna. Analysen utförd av gruppen från IFJ PAN gav indikationer på att parametrarna som beskriver källan till hadronisering i denna unika region som täcks av LHCb-experiment vid LHC skiljer sig från resultaten som erhållits för större vinklar.

"Analysen som gav dessa intressanta resultat kommer att fortsätta i LHCb-experimentet för olika kollisionsenergier och olika typer av kolliderande strukturer. Tack vare detta, det kommer att vara möjligt att verifiera några av modellerna som beskriver hadronisering och, följaktligen, för att bättre förstå förloppet av själva processen, " sammanfattar prof. Mariusz Witek (IFJ PAN).

Arbetet i teamet från IFJ PAN finansierades delvis av OPUS-anslaget från det polska nationella vetenskapscentret.

Henryk Niewodniczanski Institute of Nuclear Physics (IFJ PAN) är för närvarande det största forskningsinstitutet inom den polska vetenskapsakademin. IFJ PAN:s breda utbud av studier och aktiviteter inkluderar grundläggande och tillämpad forskning, allt från partikelfysik och astrofysik, genom hadronfysik, hög-, medium-, och lågenergikärnfysik, kondenserad materiens fysik (inklusive materialteknik), till olika tillämpningar av kärnfysikmetoder i tvärvetenskaplig forskning, täcker medicinsk fysik, dosimetri, strålning och miljöbiologi, miljöskydd, och andra relaterade discipliner. Den genomsnittliga årliga avkastningen av IFJ PAN omfattar mer än 600 vetenskapliga artiklar i Journal Citation Reports publicerade av Thomson Reuters. Den del av institutet är Cyclotron Center Bronowice (CCB) som är en infrastruktur, unik i Centraleuropa, att fungera som ett kliniskt och forskningscentrum inom området medicinsk och kärnfysik. IFJ PAN är medlem i Marian Smoluchowski Krakow Research Consortium:"Matter-Energy-Future" som har statusen av ett ledande nationellt forskningscenter (KNOW) inom fysik för åren 2012-2017. Institutet är av kategori A+ (ledande nivå i Polen) inom området vetenskap och teknik.