När tunga joner, accelererade till ljusets hastighet, kolliderar med varandra i djupet av europeiska eller amerikanska acceleratorer, kvark-gluonplasma bildas för bråkdelar av en sekund, eller till och med dess "cocktail" kryddat med andra partiklar. Enligt forskare från IFJ PAN, experimentella data visar att det finns underskattade aktörer på scenen:fotoner. Deras kollisioner leder till utsläpp av till synes överskott av partiklar, vars närvaro inte kunde förklaras.

Kvark-gluonplasma är utan tvekan det mest exotiska tillståndet av materia som hittills är känt för oss. I LHC vid CERN nära Genève, det bildas vid centrala kollisioner mellan två blyjoner som närmar sig varandra från motsatta riktningar, färdas med hastigheter mycket nära ljusets. Denna kvark-gluonsoppa är också ibland kryddad med andra partiklar. Tyvärr, den teoretiska beskrivningen av händelseförloppet som involverar plasma och en cocktail av andra källor beskriver inte data som samlats in i experimenten. I en artikel publicerad i Fysikbokstäver B , en grupp forskare från Institute of Nuclear Physics vid Polska vetenskapsakademien i Krakow förklarade orsaken till de observerade avvikelserna. Data som samlats in under kollisioner av blykärnor i LHC, liksom vid kollisioner av guldkärnor i RHIC vid Brookhaven National Laboratory nära New York, börja hålla med teorin när beskrivningen av processerna tar hänsyn till kollisioner mellan fotoner som omger båda interagerande joner.

"Med en nypa salt, man kan säga att med tillräckligt höga energier, massiva joner kolliderar inte bara med sina protoner och neutroner, men även med sina fotonmoln, "säger Dr. Mariola Klusek-Gawenda (IFJ PAN) och förtydligar omedelbart:" När vi beskrev kollisionen av joner i LHC tog vi redan hänsyn till kollisioner mellan fotoner. Dock, de gällde endast ultraperifera kollisioner, där jonerna inte träffar varandra, men passerar varandra oförändrade, interagerar endast med sina egna elektromagnetiska fält. Ingen trodde att fotonkollisioner skulle kunna spela någon roll i våldsamma interaktioner där protoner och neutroner smälter samman till en kvark-gluonsoppa. "

Under förhållanden kända från vardagen, fotoner kolliderar inte med varandra. Dock, när vi har att göra med massiva joner accelererade till nästan ljusets hastighet, situationen förändras. Guldkärnan innehåller 79 protoner, ledkärnan så många som 82, så den elektriska laddningen för varje jon är motsvarande många gånger större än den elementära laddningen. Bärarna till elektromagnetiska interaktioner är fotoner, så kan varje jon behandlas som ett objekt omgivet av ett moln av många fotoner. Dessutom, i RHIC och LHC, jonerna rör sig med hastigheter nära ljusets. Som ett resultat, från observatörens synvinkel i laboratoriet, både de och deras omgivande moln av fotoner verkar vara extremt tunna fläckar, tillplattad i rörelseriktningen. Med varje passage av en sådan proton-neutronpannkaka, det finns en extremt våldsam svängning av de elektriska och magnetiska fälten.

I kvantelektrodynamik, teorin som används för att beskriva elektromagnetism med avseende på kvantfenomen, det finns ett maximalt kritiskt värde för det elektriska fältet, i storleksordningen tio till sexton volt per centimeter. Det gäller statiska elektriska fält. Vid kollisioner av massiva atomkärnor i RHIC eller LHC, vi har att göra med dynamiska fält som bara uppträder för miljoner av en miljarddel av en miljarddel av en sekund. Under så extremt kort tid, de elektriska fälten i jonernas kollisioner kan till och med vara 100 gånger starkare än det kritiska värdet.

"Faktiskt, de elektriska fälten för joner som kolliderar i LHC eller RHIC är så kraftfulla att de genererar virtuella fotoner och deras kollisioner uppstår. Som ett resultat av dessa processer, lepton-antileptonpar bildas vid olika punkter runt jonerna där det inte fanns något material tidigare. Partiklarna i varje par rör sig bort från varandra på ett karakteristiskt sätt:typiskt i motsatta riktningar och nästan vinkelrätt mot den ursprungliga riktningen för jonernas rörelse, "förklarar Dr Wolfgang Schäfer (IFJ PAN) och påpekar att familjen leptoner inkluderar elektroner och deras mer massiva motsvarigheter:muoner och tauoner.

Fotoninteraktioner och produktion av lepton-antileptonpar som är associerade med dem är avgörande vid perifera kollisioner. Kollisioner som dessa beskrevs av fysikerna från Krakow för några år sedan. Till deras förvåning, de har nu lyckats visa att samma fenomen också spelar en viktig roll vid direkta kollisioner av kärnor, även centrala. Data som samlats in för guldkärnor i RHIC och blykärnor i LHC visar att under sådana kollisioner uppstår ett visst "överskott" av elektron-positronpar, som avviker relativt långsamt i riktningar nästan vinkelrätt mot jonstrålarna. Det har varit möjligt att förklara deras existens just genom att ta hänsyn till produktionen av lepton-antileptonpar genom att kollidera fotoner.

"Den verkliga pricken över i:et för oss var det faktum att genom att komplettera de befintliga verktygen för beskrivning av massiva jonkollisioner med vår formalism som bygger på den så kallade Wigner-distributionsfunktionen, vi kunde äntligen förklara varför detektorerna från de största samtida acceleratorförsöken registrerar denna typ av distribution av leptoner och antileptoner som flyr från platsen för kärnkollisionerna (för en bestämd centralitet av kollisionen). Vår förståelse för de viktigaste processerna som äger rum här har blivit mer fullständig, "avslutar prof. Antoni Szczurek (IFJ PAN).

Arbetet med Cracow-modellen för foton-foton-kollisioner finansierades av polska National Science Center. Modellen har väckt intresse hos fysiker som arbetar med ATLAS- och ALICE -detektorerna i LHC och kommer att användas i nästa analyser av experimentella data.