Coliziunile dintre protoni şi ionii de plumb de la Large Hadron Collider (LHC) au dus la apariţia unui comportament surprinzător în cazul unora dintre particulele create în urma coliziunilor. Noua observaţie sugerează că ciocnirile ar fi produs un nou tip de materie.
Numele acestui nou tip de materie: „condensat culoare-sticlă”.
Când fasciculele de particule se ciocnesc la viteze mari, coliziunile generează sute de noi particule, multe dintre ele ce se îndepărtează de punctul de coliziune cu viteze apropiate de cea a luminii. Totuşi, echipa CMS (Compact Muon Solenoid) de la LHC a descoperit că într-o mostră de 2 milioane de coliziuni plumb-proton, unele perechi de particule s-au îndepărtat cu direcţiile respective corelate.
„Cumva ele se deplasează în aceeaşi direcţie, chiar dacă nu e clar cum îşi pot comunica direcţiile între ele. Asta a surprins mulţi oameni, inclusiv pe noi”, spune Gunther Roland, profesor de fizică la MIT, al cărui grup a condus analiza datelor coliziunii împreună cu Wei Li, un fost doctorand la MIT care este în prezent profesor asistent la Universitatea Rice.
Un proton intră în coliziune cu un nucleu de plumb, dând naştere unei avalanşe de particule în interiorul detectorului ALICE. Proiectele ATLAS, CMS şi LHCb au înregistrat şi ele coliziunile. Credit: Alice/CERN
O lucrare care descrie descoperirile neaşteptate va apărea în următorul număr al revistei Physical Review B, ea fiind disponibilă pe arXiv.
Grupul de la MIT, care-i include pe Roland şi pe Bolek Wyslouch şi Wit Busza, profesori de fizică la MIT, au observat acelaşi model distinct în coliziunile proton-proton cu doi ani în urmă. Acelaşi model de împrăştiere este observat acum, când ionii de plumb sau alte metale grele, precum aurul sau cuprul, se ciocnesc.
Aceste coliziuni de ioni grei produc un val de plasmă quarc-gluon, supa fierbinte de particule care a existat în primele câteva milionimi de secundă după Big Bang. În accelerator, acest val mătură unele particule rezultante în aceeaşi direcţie, ceea ce explică legătura dintre direcţiile lor de deplasare.
În teorie, coliziunile proton-proton ar putea produce o undă de tip lichid de gluoni, cunoscută drept „condensat culoare-sticlă”. Această aglomerare densă de gluoni ar putea produce modele neobişnuite de coliziune observate în coliziunile proton-plumb, explică Raju Venugopalan, un reputat om de ştiinţă de la Broolhaven National Laboratory, care nu a fost implicat în această cercetare.
Venugopalan şi fostul său student, Kevin Dusling au creat o teorie despre existenţa condensatului culoare-sticlă la scurt timp înainte de observarea corelării directe dintre particule în coliziunile proton-proton. „Deşi protonii la nivele de energie normale sunt constituiţi din trei quarcuri, ei tind să acapareze o grupare de gluoni la nivele mai ridicate de energie. Aceşti gluoni există atât ca particule, cât şi ca unde, iar funcţiile lor de undă pot fi corelate între ele. Această „inseparabilitate cuantică” explică de ce particulele care se îndepărtează de coliziune pot împărtăşi informaţia, spre exemplu direcţia de deplasare”, precizează Venugopalan.
Corelarea este „un efect foarte redus, dar indică spre ceva foarte fundamental despre felul cum quarcurile şi gluonii sunt aranjaţi spaţial într-un proton”, spune el.
Cercetătorii de la CMS au încercat iniţial să folosească coliziunile plumb-proton drept „sistem de referinţă” pentru a le compara cu ciocnirile plumb-plumb.
„Nu te aştepţi la efecte din domeniul plasmei quarc-gluon” în cazul coliziunilor plumb-proton, spune Roland. „Trebuia să fie un fel de încercare de bază – o încercare în care se pot studia efectele de fond pe care le putem scădea apoi din efectele observate în coliziunile plumb-plumb.”
Acea încercare a durat doar patru ore, însă în ianuarie colaboratorii CMS plănuiesc să efectueze câteva săptămâni de coliziuni plumb-proton, care ar trebui să le permită să stabilească dacă ciocnirile chiar produc un lichid, spune Roland. Asta ar trebui să restrângă posibilele explicaţii şi să determine dacă efectele văzute în coliziunile proton-proton, plumb-proton şi plumb-plumb, sunt înrudite.
Traducere de Răzvan Gavrilă după unexpected-large-hadron-collider-collisions.
