Dane z LHC potwierdzają poprawność nowego modelu produkcji hadronów – i testują fundamenty mechaniki kwantowej

Kipiel przelicznych kwarków i gluonów, także wirtualnych – tak można sobie wyobrażać główną fazę zderzenia protonów o wysokich energiach. Wydawałoby się, że cząstki mają wówczas istotnie więcej możliwości ewolucji niż wtedy, gdy z punktu zderzenia rozchodzą się już mniej liczne i znacznie „grzeczniejsze” cząstki wtórne. Dane z akceleratora LHC dowodzą jednak, że rzeczywistość działa inaczej, w sposób lepiej opisany przez udoskonalony model zderzeń protonów – i w pełni zgodnie z… elementarzem mechaniki kwantowej.

Entropia w zderzeniach protonów – intuicje i rzeczywistość

Podczas wysokoenergetycznych zderzeń protonów z protonami wiele się dzieje. Protony są hadronami, czyli zlepkami partonów – kwarków i sklejających je gluonów. Gdy protony zderzają się ze sobą przy odpowiednio wielkich energiach, ich kwarki i gluony (także te wirtualne, pojawiające się na chwilę w trakcie oddziaływań) wchodzą w przeróżne, skomplikowane interakcje. Dopiero „stygnąc” kwarki zlepiają się w nowe hadrony, a te rozbiegają się z obszaru zderzenia i są rejestrowane w detektorach. Intuicja podpowiada więc, że entropia wyprodukowanych hadronów – wielkość mówiąca o liczebności stanów, w których układ cząstek może się znaleźć – powinna być inna niż w partonowej fazie zderzenia, kiedy to oddziałujących kwarków i gluonów jest wiele, a zachodzące interakcje na pierwszy rzut oka sprawiają wrażenie równie chaotycznych, co dynamicznych.

Uogólniony model dipolowy naukowców z IFJ PAN

Rezultaty najnowszych badań na entropią hadronów i partonów w zderzeniach protonów przedstawili
na łamach czasopisma „Physical Review D” prof. dr hab. Krzysztof Kutak i dr Sándor Lökös, naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. „W fizyce wysokich energii do opisu ewolucji gęstych układów gluonów stosuje się od pewnego czasu tak zwane modele dipolowe. Zakłada się w nich, że każdy gluon może być reprezentowany przez parę kwark-antykwark, która tworzy dipol dwóch kolorów – przy czym nie chodzi tu o zwykły kolor, tylko o tak nazywaną cechę kwantową gluonów. Modele dipolowe na podstawie średniej liczby wyprodukowanych w zderzeniu hadronów pozwalają ocenić entropię partonów”, tłumaczy prof. Kutak, który badaniami entropii złożonych układów kwarkowo-gluonowych zajmuje się już od kilkunastu lat.

Dwa lata temu prof. Kutak we współpracy z dr. Pawłem Caputą z Uniwersytetu w Sztokholmie opracował interesującą odmianę modelu dipolowego. Naukowcy potraktowali jeden z już istniejących wzorów na ewolucję układu gluonów jako wiodący i rozbudowali go o efekty podwiodące, istotne dla zderzeń zachodzących przy niższych energiach, gdzie liczba hadronów produkowanych w zderzeniach jest mniejsza. Postęp był możliwy dzięki dostrzeżeniu powiązania między równaniami obecnych modeli dipolowych a równaniami używanymi w teorii złożoności.

W celu przetestowania poprawności uogólnionego modelu dipolowego dr Lökös zaproponował sięgnąć po wyniki pomiarów zgromadzonych w ramach różnych eksperymentów przy akceleratorze LHC, w tym czterech głównych: ALICE, ATLAS, CMS i LHCb. Dane obejmowały zderzenia w stosunkowo szerokim zakresie energii, od 0,2 teraelektronowoltów aż do 13 TeV, czyli maksymalnej energii, do jakiej można rozpędzić protony w LHC.

– W naszym artykule wykazaliśmy, że uogólniony model dipolowy opisuje istniejące dane dokładniej niż wcześniejsze modele dipolowe, a ponadto sprawdza się w szerszym zakresie energii zderzeń protonów – podkreśla prof. Kutak.

Czy zatem w zderzeniach protonów entropia w fazie zdominowanej przez oddziaływania kwarków i gluonów różni się od entropii wyprodukowanych hadronów, uciekających z miejsca zderzenia? Istniejący wzór Kharzeeva-Levina na entropię jest hipotezą, że nie, co zostało potwierdzone w pracach prof. Kutaka i jego współpracowników. Wspomniane założenie i właśnie otrzymane wyniki na twarzach jednych fizyków wzbudzają zdziwienie, a na innych tajemniczy uśmiech. Z jednej strony wydają się bowiem na pierwszy rzut oka nieintuicyjne, lecz z drugiej są w istocie konsekwencją jednej z najbardziej fundamentalnych cech mechaniki kwantowej: jej unitarności.

Unitarność i perspektywy dalszych badań

Unitarność może i brzmi groźnie, ale w rzeczywistości to dość intuicyjny wymóg. Chodzi o to, aby równania opisujące ewolucję układu kwantowego, jego możliwe przejścia od stanu wcześniejszego do późniejszych, zachowywały sumę prawdopodobieństw wszystkich przejść (równą jeden) i były odwracalne. Innymi słowy: unitarność oznacza, że ani prawdopodobieństwo, ani informacja nie mogą ginąć ani znikąd się rodzić.

– Unitarność mechaniki kwantowej to coś, czego uczą się już studenci fizyki. Formalizm chromodynamiki
kwantowej, teorii opisującej świat kwarków i gluonów, bazuje na unitarności. Czym innym jest jednak obcowanie na co dzień z teorią wykazującą pewną cechę na poziomie kwarków i gluonów, a czym innym jej dostrzeżenie w rzeczywistych danych dotyczących wyprodukowanych hadronów – zauważa prof. Kutak i podkreśla, że to dzięki unitarności otrzymany wynik pozwala na uzyskanie informacji dotyczących entropii partonów w szerokim zakresie energii.

Dalsza weryfikacja uogólnionego modelu dipolowego będzie możliwa na początku przyszłej dekady, po zakończeniu modernizacji akceleratora LHC. Udoskonalony detektor ALICE pozwoli wówczas przeprowadzić pomiary dotyczące gęstszych niż badane obecnie obszarów interakcji gluonów. Szczególnie wartościowe będą także dane z akceleratora EIC (Electron–Ion Collider), powstającego w Brookhaven National Laboratory w USA, gdzie z protonami będą zderzane elektrony. Ponieważ elektrony są cząstkami elementarnymi, taka konfiguracja pozwoli badać gęste układy gluonów w pojedynczych protonach.

O IFJ PAN

Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie prowadzi badania podstawowe i aplikacyjne w obszarze fizyki oraz nauk pokrewnych. Główna część działalności naukowej Instytutu koncentruje się na badaniu struktury materii, w tym własności oddziaływań fundamentalnych od skali kosmicznej po cząstki elementarne. Częścią Instytutu jest nowoczesne Centrum Cyklotronowe Bronowice, unikalny w skali europejskiej ośrodek, obok badań naukowych zajmujący się terapią protonową nowotworów. IFJ PAN prowadzi też cztery akredytowane laboratoria badawcze i pomiarowe. Wyniki badań – obejmujących fizykę i astrofizykę cząstek, fizykę jądrową i oddziaływań silnych, fizykę fazy skondensowanej materii, fizykę medyczną, inżynierię nanomateriałów, geofizykę, biologię radiacyjną i środowiskową, radiochemię, dozymetrię oraz fizykę i ochronę środowiska – są każdego roku przedstawiane w ponad 600 artykułach publikowanych w recenzowanych wysoko punktowanych czasopismach naukowych. Corocznie Instytut jest organizatorem lub współorganizatorem wielu międzynarodowych i krajowych konferencji naukowych oraz szeregu seminariów i innych spotkań naukowych. IFJ PAN jest członkiem Krakowskiego Konsorcjum Naukowego „Materia-Energia-Przyszłość”, któremu, na lata 2012–2017, nadany został status Krajowego Naukowego Ośrodka Wiodącego (KNOW). Wiele projektów i przedsięwzięć realizowanych przez Instytut jest wpisanych na Polską Mapę Infrastruktury Badawczej (PMIB). Instytut zatrudnia ponad pół tysiąca pracowników. Komisja Europejska przyznała IFJ PAN prestiżowe wyróżnienie „HR Excellence in Research” jako instytucji stosującej zasady „Europejskiej Karty Naukowca” i „Kodeksu Postępowania przy rekrutacji pracowników naukowych”. W kategoryzacji MEiN Instytut został zaliczony do najwyższej kategorii naukowej A+ w obszarze nauk fizycznych.

Fot. Gdy dwa wysokoenergetyczne protony z przeciwbieżnych wiązek akceleratora LHC się zderzają, entropia oddziałujących ze sobą kwarków i gluonów jest praktycznie identyczna jak entropia hadronów rozbiegających się później z miejsca zderzenia.
(Źródło: IFJ PAN)