Proiectul de cercetare științifică ALICE de la Marele accelerator de hadroni (LHC), CERN, Elveția, a reușit pentru prima dată să măsoare în mod direct un efect prevăzut acum circa 30 de ani: conul mort, adică lipsa de emisie a radiației (sub formă de gluoni) a quarcurilor într-un anumit con în jurul direcției de propagare, quarcuri care se formează în urmă interacțiunii dintre protonii de la LHC. Efectul de con mort reprezintă o trăsătură fundamentală a teoriei interacțiunii nucleare tari, care explică modul în care interacțiunea tare ține împreună quarcurile și gluonii, formând protoni și neutroni.
Lumea quarcurilor
Deși aparent simpli, atomii au o structură deosebit de complexă, care păstrează încă multiple mistere. Dar, în esență, atomii sunt formați dintr-un nucleu central, în jurul căruia se află electroni.
Nucleul, la rândul lui, este compus din protoni și neutroni, care sunt alcătuiți din quarcuri. Quarcurile sunt ținute împreună în protoni și neutroni de către gluoni – particule purtătoare ale interacțiunii nucleare tari.
Protonii și neutronii sunt fiecare compuși din două tipuri de quarcuri: „up” și „down”; protonul conține două quarcuri up și unul down, iar neutronul doi down și unul up.
Pe lângă aceste două tipuri de quarcuri au fost descoperiți alți patru: strange, charm, bottom și top.
Toate quarcurile, împreună cu electronii, neutrinii, dar și alte particule elementare (de exemplu, bosonul Higgs) fac parte din teoria modelului standard al particulelor elementare.
Studiul quarcurilor la LHC
La Marele accelerator de hadroni (LHC) de la CERN sunt studiate particulele elementare din modelul standard și se caută particule din afara acestui model.
Concret, pentru a face acest lucru, în accelerator se ciocnesc fascicule de protoni (sau ioni de plumb) la energii extrem de mari. În momentul în care are loc ciocnirea, quarcurile și gluonii din interiorul unui fascicol de protoni se ciocnesc cu quarcurile și gluonii din interiorului fasciculului protonilor cu care are loc ciocnirea.
În urma acestor procese iau naștere alte particule, mii de particule secundare.
Obiectivul este tocmai cel de a studia aceste particule și, eventual, de a descoperi noi particule pe care nimeni nu le-a văzut până acum (cum ar fi particule de materie întunecată).
La LHC sunt patru mari proiecte de cercetare, ATLAS, CMS, LHCb și ALICE, studiază lumea microscopică.
ALICE și conul mort
Cercetătorii din proiectul colaborativ ALICE au publicat recent un articol foarte interesant în revista Nature în care arată că, pentru prima dată în mod direct, au reușit să observe așa-numitul „efect de con mort” în studiul quarcurilor; concret, este vorba despre quarcul charm.
Atunci când în urma ciocnirilor la energii înalte dintre quarcurile din protonii observați de ALICE se produc alte quarcuri, aceștia emit gluoni.
Emisia acestor gluoni se petrece cu un efect de con mort. Adică radiația de gluoni este suprimată într-un con cu un unghi mai mic decât raportul dintre masa quarcului și energia acestuia în jurul direcției de propagare a quarcului.
Observarea efectului pare simplă: ne uităm dacă sunt emiși gluoni la unghiuri mai mici decât cel amintit. În realitate însă, nu vedem gluonii în mod direct, și nici quarcurile – aceștia dau naștere unor jeturi de particule, iar quarcurile se leagă între ele în particule care se numesc „hadroni” și pe care le măsurăm experimental.
Multe dintre aceste particule ajung în conul mort. Ca să observe efectul de con mort pentru quarcurile de tip charm cercetătorii au folosit metode de analiză avansate, care au plecat de la măsurătoare, apoi mergând „înapoi în timp” până la gluonii generați de quarcuri, reușind să observe cum acești gluoni respectă efectul de con mort, adică faptul nu sunt emiși în direcții cu unghiurile mai mici de raportul dintre masa și energia quarcurilor.
La ce folosește acest studiu?
Studiul ar putea fi folosit în viitor pentru a avea informații mai precise despre masa quarcului charm, întrucât acesta este observat de obicei în hadroni, adică legat cu alți quarcuri. Posibilitatea de a studia conul mort ne-ar ajuta să observăm quarcul charm înainte ca acesta să formeze hadroni.
Rezumatul articolului original:
„In particle collider experiments, elementary particle interactions with large momentum transfer produce quarks and gluons (known as partons) whose evolution is governed by the strong force, as described by the theory of quantum chromodynamics (QCD).
These partons subsequently emit further partons in a process that can be described as a parton shower, which culminates in the formation of detectable hadrons.
Studying the pattern of the parton shower is one of the key experimental tools for testing QCD. This pattern is expected to depend on the mass of the initiating parton, through a phenomenon known as the dead-cone effect, which predicts a suppression of the gluon spectrum emitted by a heavy quark of mass mQ and energy E, within a cone of angular size mQ/E around the emitter.
Previously, a direct observation of the dead-cone effect in QCD had not been possible, owing to the challenge of reconstructing the cascading quarks and gluons from the experimentally accessible hadrons. We report the direct observation of the QCD dead cone by using new iterative declustering techniques to reconstruct the parton shower of charm quarks.
This result confirms a fundamental feature of QCD. Furthermore, the measurement of a dead-cone angle constitutes a direct experimental observation of the non-zero mass of the charm quark, which is a fundamental constant in the standard model of particle physics”.
Credit imagine: CERN
