Onze wereld bestaat voornamelijk uit deeltjes opgebouwd uit drie quarks gebonden door gluonen. Het proces van het aan elkaar plakken van quarks, hadronisatie genoemd, wordt nog slecht begrepen. Natuurkundigen van het Instituut voor Kernfysica Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau, werkzaam binnen de LHCb Samenwerking, nieuwe informatie over hebben gekregen, dankzij de analyse van unieke gegevens die zijn verzameld in hoogenergetische botsingen van protonen in de LHC.

Wanneer protonen versneld tot de grootste energie met elkaar botsen in de LHC, hun samenstellende deeltjes - quarks en gluonen - creëren een raadselachtige tussentoestand. De waarneming dat bij de botsingen van zulke relatief eenvoudige deeltjes als protonen deze tussentoestand de eigenschappen van een vloeistof vertoont, typisch voor botsingen van veel complexere structuren (zware ionen), was een grote verrassing. Eigenschappen van dit type wijzen op het bestaan ​​van een nieuwe toestand van materie:een quark-gluonplasma waarin quarks en gluonen zich bijna als vrije deeltjes gedragen. Deze exotische vloeistof koelt direct af. Als resultaat, de quarks en gluonen verbinden zich opnieuw met elkaar in een proces dat hadronisatie wordt genoemd. Het effect hiervan is de geboorte van hadronen, deeltjes die klonten zijn van twee of drie quarks. Dankzij de laatste analyse van gegevens verzameld bij energieën van zeven teraelektronvolts, onderzoekers van het Instituut voor Kernfysica Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau, werkzaam binnen de LHCb Samenwerking, nieuwe informatie verkregen over het mechanisme van hadronisatie bij proton-protonbotsingen.

"De hoofdrol bij protonbotsingen wordt gespeeld door sterke interactie, beschreven door de kwantumchromodynamica. De verschijnselen die optreden tijdens het afkoelen van het quark-gluonplasma zijn, echter, zo complex in termen van berekening dat het tot nu toe niet mogelijk was om de details van hadronisatie volledig te begrijpen. En toch is het een proces van grote betekenis! Het is hierdoor dat in de eerste ogenblikken na de oerknal, de overheersende meerderheid van de deeltjes die onze dagelijkse omgeving vormen, werd gevormd uit quarks en gluonen, " zegt Assoc. Prof. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN).

In de LHC, hadronisatie is extreem snel, en komt voor in een extreem klein gebied rond het punt van protonbotsing:de afmetingen bereiken slechts femtometers, of miljoenste van een miljardste van een meter. Het is dan ook geen wonder, dat directe observatie van dit proces momenteel niet mogelijk is. Voor informatie over de cursus, natuurkundigen moeten reiken naar verschillende indirecte methoden. Een sleutelrol wordt gespeeld door het basisinstrument van de kwantummechanica:een golffunctie waarvan de eigenschappen in kaart worden gebracht door de kenmerken van deeltjes van een bepaald type (het is vermeldenswaard dat hoewel het bijna 100 jaar geleden is dat de kwantummechanica is ontstaan, er bestaan ​​nog steeds verschillende interpretaties van de golffunctie!).

"De golffuncties van identieke deeltjes zullen elkaar effectief overlappen, d.w.z. ingrijpen. Als ze worden versterkt als gevolg van interferentie, we hebben het over Bose-Einstein-correlaties, als ze worden onderdrukt - Fermi-Dirac-correlaties. In onze analyses we waren geïnteresseerd in de verbeteringen, dat is, de Bose-Einstein-correlaties. We zochten ze tussen de pi-mesonen die uit het gebied van hadronisatie vlogen in richtingen dicht bij de oorspronkelijke richting van de botsende bundels van protonen, " legt promovendus Bartosz Malecki (IFJ PAN) uit.

De gebruikte methode is oorspronkelijk ontwikkeld voor radioastronomie en wordt HBT-interferometrie genoemd (van de namen van de twee makers:Robert Hanbury Brown en Richard Twiss). Bij gebruik met betrekking tot deeltjes, HBT-interferometrie maakt het mogelijk om de grootte van het hadronisatiegebied en de evolutie ervan in de tijd te bepalen. Het helpt bij het verstrekken van informatie over, bijvoorbeeld, of dit gebied verschillend is voor verschillende aantallen uitgestoten deeltjes of voor hun verschillende typen.

De gegevens van de LHCb-detector maakten het mogelijk om het hadronisatieproces te bestuderen in het gebied van zogenaamde kleine hoeken, d.w.z. voor hadronen geproduceerd in richtingen dicht bij de richting van de initiële protonenbundels. De analyse uitgevoerd door de groep van de IFJ PAN gaf aanwijzingen dat de parameters die de bron van hadronisatie beschrijven in dit unieke gebied dat wordt bestreken door het LHCb-experiment bij LHC, verschillen van de resultaten die zijn verkregen voor grotere hoeken.

"De analyse die deze interessante resultaten opleverde, zal worden voortgezet in het LHCb-experiment voor verschillende botsingsenergieën en verschillende soorten botsende structuren. Hierdoor, het zal mogelijk zijn om enkele modellen te verifiëren die hadronisatie beschrijven en, bijgevolg, om het verloop van het proces zelf beter te begrijpen, " vat prof. Mariusz Witek (IFJ PAN) samen.

Het werk van het team van de IFJ PAN werd gedeeltelijk gefinancierd door de OPUS-subsidie ​​van het Poolse Nationale Wetenschapscentrum.

Het Henryk Niewodniczanski Instituut voor Kernfysica (IFJ PAN) is momenteel het grootste onderzoeksinstituut van de Poolse Academie van Wetenschappen. Het brede scala aan studies en activiteiten van IFJ PAN omvat fundamenteel en toegepast onderzoek, variërend van deeltjesfysica en astrofysica, door de hadronfysica, hoog-, medium-, en lage-energie kernfysica, fysica van de gecondenseerde materie (inclusief materiaalkunde), tot verschillende toepassingen van methoden van kernfysica in interdisciplinair onderzoek, medische fysica, dosimetrie, straling en omgevingsbiologie, milieubescherming, en andere verwante disciplines. De gemiddelde jaarlijkse opbrengst van de IFJ PAN omvat meer dan 600 wetenschappelijke artikelen in de Journal Citation Reports gepubliceerd door Thomson Reuters. Het onderdeel van het Instituut is het Cyclotron Center Bronowice (CCB), een infrastructuur, uniek in Centraal-Europa, om te dienen als een klinisch en onderzoekscentrum op het gebied van medische en nucleaire fysica. IFJ PAN is lid van het Marian Smoluchowski Krakow Research Consortium:"Matter-Energy-Future", dat voor de jaren 2012-2017 de status van een toonaangevend nationaal onderzoekscentrum (KNOW) in de natuurkunde bezit. Het instituut valt in de categorie A+ (toonaangevend niveau in Polen) op het gebied van wetenschappen en techniek.