Interacțiunea dintre un proton și un mezon ɸ, care apar în urma coliziunilor proton-proton la LHC
Credit imagine: ALICE
Proiectul de cercetare științifică ALICE de la Marele Accelerator de Hadroni (LHC) de la CERN a publicat recent rezultatele studiului interacțiunii hadronilor prin femtoscopie. Studiul acestei interacțiuni este important atât pentru fizica particulelor, cât și din perspectiva studiului stelelor de neutroni.
În esență, cercetătorii de la ALICE (A Large Ion Collider Experiment) au folosit femtoscopia pentru a studia interacțiunile reziduale dintre particule formate din două și din trei quarcuri. Astfel a putut fi observată pentru prima dată interacțiunea dintre mezonul ɸ (fi), format dintr-un quarc straniu și antiparticula sa, și un proton, format din două quarcuri up și un quark down.
Ce sunt hadronii?
Modelul standard al fizicii particulelor elementare clasifică toate particulele elementare pe care le cunoaștem la ora actuală; particulele elementare sunt acele particule care nu sunt compuse (din câte știm în prezent) din alte particule. Acest model descrie modul în care aceste particule interacționează între ele prin interacțiunea nucleară slabă, interacțiunea nucleară tare și interacțiunea electromagnetică. Quarcurile sunt prezente în modelul standard: șase quarcuri care dau naștere familiei de particule denumite „hadroni”, precum neutronii și protonii, care sunt compuși fiecare din trei quarcuri. Există însă multe alte particule compuse din quarcuri. Printre acestea se numără, de exemplu, mezonii – care sunt alcătuiți dintr-un quarc și un anti-quarc.
Hadronii interacționează între ei ca printr-o așa-zisă „forță reziduală”, rezultatul interacțiunii quarcurilor prin intermediul forței nucleare tari (care are o rază de acțiune foarte mică și care-i ține împreună). Forța nucleară tare ține împreună în nuclee protonii și neutronii și astfel ia naștere fizica nucleară.
Studiul interacțiunii dintre hadroni
Studiul interacțiunii dintre hadroni este dificil, întrucât mulți dintre aceștia se formează (doar) la acceleratoarele de particule și au durata de „viață” foarte scurtă, dezintegrându-se în alte particule. Ba mai mult, există și hadroni neutri din punct de vedere electric, studiul acestora fiind și mai complex, întrucât nu reacționează la câmpurile electrice și magnetice. În acest context au fost inventate mai multe metode directe sau indirecte pentru a studia cât de intensă este interacțiunea între hadroni și dacă aceasta este caracterizată de atracție sau respingere. Una dintre aceste metode dezvoltate la experimentul ALICE la CERN este femtoscopia. Pe scurt, femtoscopia este o tehnică de măsurare a corelațiilor dintre două particule aflate la mică distanță una de alta, ca o funcție a impulsului relativ.
Femtoscopia de la ALICE
La ALICE se studiază procesele care au loc în urma coliziunii dintre fascicule de protoni de mare energie sau nuclee de plumb.
ALICE a creat o metodă extrem de interesantă pentru a măsura în mod indirect interacțiunea dintre hadroni: se măsoară particulele care se nasc în urma coliziunii, de exemplu, dintre fasciculele de protoni și distanța dintre acestea.
Distanța dintre particulele care se formează în interacțiune într-o regiune de dimensiuni de ordinul femtometrilor, adică 10-15 m, depinde de natura interacțiunii (de atracție sau respingere). Atunci când interacțiunea este caracterizată de atracție, particulele măsurate sunt mai apropiate decât ar fi de așteptat fără nici un fel de interacțiune; pentru interacțiunea caracterizată de respingere, acestea sunt mai îndepărtate.
Atunci când detectoarele le măsoară, pot să stabilească ce fel de interacțiune există între acestea și cât de puternică este aceasta. Această metodă se numește „femtoscopie”.
Noi rezultate: interacțiunea dintre mezonul fi și proton
În acest context ALICE a publicat recent un articol în revista Phys. Rev. Letters în care se efectuează o prima măsurătoare a interacțiunii dintre mezonul φ (litera grecească „fi”), compus dintr-un quarc straniu și un antiquarc straniu, și protoni. În original, autorii menționează: „This Letter presents the first experimental evidence of the attractive strong interaction between a proton and a φ meson.”. Ceea ce s-a obținut este, așadar, o interacțiune caracterizată de atracție, însă cu o intensitate relativ mică. Măsurătoarea nu este încă foarte precisă; cercetătorii de la ALICE are obiectivul de a o îmbunătăți în viitorii ani.
Care este relevanța acestor măsurători?
La ce folosește acest rezultat? Din studiul interacțiunii mezonul φ cu protonii se poate deduce în mod indirect cât de intensă este interacțiunea dintre „hiperoni”, particule compuse din trei quarcuri, precum protonii sau neutronii, (cel puțin) unul dintre aceștia însă fiind un quarc straniu (sau anti-straniu). Rezultă o interacțiune foarte slabă, cel puțin deocamdată.
Acest studiu este important pentru fizica stelelor neutronice, în „inima” cărora s-ar putea forma hiperoni.
Mai mult, femtoscopia este importantă și pentru a se înțelege mai bine un fenomen care ar fi dat naștere masei protonilor și neutronilor: așa-numita rupere a simetrie chirale, care ne spune de ce, de exemplu, masa unui proton este mult mai mare decât suma maselor celor trei quarcuri din care este compus.
