Aktualności (nie tylko) fizyczne
Nowe pomysły
Co LHC widziało?
Rok 2010 był pierwszym rokiem normalnego działania Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC – Large Hadron Collider).
Rok 2010 był pierwszym rokiem normalnego działania Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC – Large Hadron Collider). Po wstępnym uruchomieniu na jesieni 2009 roku i osiągnięciu niskiej, ale i tak rekordowej energii 2,36 TeV, przystąpiono do zderzania przeciwbieżnych wiązek protonów z energią pojedynczego protonu 3,5 TeV, czyli zbierania danych przy całkowitej energii zderzeń 7 TeV (to znaczy po przyspieszeniu każdego z protonów potencjałem 3,5 biliona wolt). Była to energia uznana za bezpieczną z punktu widzenia maksymalnego niezbędnego prądu krążącego w nadprzewodzących magnesach dipolowych, służących do utrzymywania wiązek protonów na „zakrętach” LHC. Ponieważ poziom bezpieczeństwa użytkowania akceleratora zależy także od liczby krążących w nim protonów, od której z kolei zależy tzw. świetlność urządzenia, czyli liczba zderzeń zachodząca w jednostce czasu, zdecydowano się na stopniowe podnoszenie tych wielkości przez cały rok. W rezultacie liczba zebranych danych rosła, mniej więcej, w postępie geometrycznym. Praktycznie co tydzień mieliśmy do dyspozycji dwa razy więcej danych niż tydzień wcześniej.
Ostatecznie uzyskano zamierzoną na zeszły rok chwilową świetlność sześć rzędów wielkości większą od początkowej. Detektory obejrzały po ponad bilionie przypadków, zapisując najciekawsze, mniej więcej co dziesięciotysięczny.
Na tym jednak nie koniec. W listopadzie w ciągu tygodnia przystosowano
zderzacz do przyspieszania jonów (jąder) ołowiu
i uzyskano ich
przeciwbieżne wiązki zderzające się przy energii w środku masy 2,76 TeV na
parę nukleonów, czyli maksymalnej całkowitej energii zderzenia ponad
pół PeV (
elektronowoltów). W ten sposób energia osiągana
w zderzeniach ciężkich jonów została podniesiona czternastokrotnie.
Wieszczonego końca świata, pomimo rekordowego zbliżenia się do
warunków panujących tuż po Wielkim Wybuchu, oczywiście nie było, ale
i tak było ciekawie. LHC ma na swoim koncie dwa odkrycia, z których jedno
było spodziewane, a drugie jest trochę zaskakujące. Głównym celem
zeszłorocznej kampanii było jednak „odkrycie Modelu Standardowego na
nowo”. Chodziło nie tylko o wszechstronne sprawdzenie detektorów, ale
także o zrozumienie, jak dobrze zgadzają się przewidywane częstości
zachodzenia poszczególnych znanych procesów z rzeczywistością
w niezbadanym dotąd zakresie energii. Odtworzyliśmy wszystko, co
powinniśmy. Zrekonstruowaliśmy rezonansowe stany związane ciężkich
kwarków (spektroskopia stanów o masie trochę powyżej
dla par
kwark-antykwark powabny oraz trochę powyżej
dla par
kwark-antykwark piękny), bozony pośredniczące
i
oraz produkcję par kwarków top, czyli najmasywniejszych znanych obiektów
elementarnych.
Eksperyment CMS zarejestrował bardzo ciekawy przypadek czteromionowy,
zgodny z hipotezą rozpadu pary bozonów
na miony. Właśnie tak
powinien przejawiać się poszukiwany bozon Higgsa, jeżeli miałby masę ponad
progiem umożliwiającym rozpad na dwa bozony
. Przypadki takie są
jednak oczekiwane również bez istnienia bozonu Higgsa o takiej masie, więc
na razie nie ma co się ekscytować, ale znalezienie takiego rzadkiego okazu
raduje serce łowcy.
Wracając do odkryć, to obydwa dotyczą własności gęstej materii jądrowej
uzyskiwanej w LHC. Zacznę od drugiego, bo choć uzyskane później, to jest tzw.
spodziewanym odkryciem, więc nie ma się co o nim rozpisywać. Mianowicie
po raz pierwszy zaobserwowano produkcję bozonów pośredniczących,
konkretnie bozonu
, w oddziaływaniach ciężkich jonów. Obserwacji
tej dokonał zespół badawczy eksperymentu CMS. Złośliwi twierdzą, że miał
po prostu szczęście.
Ze szczęściem niewiele już wspólnego miało bardziej zaskakujące
odkrycie, też dokonane przez CMS. Chodzi o tzw. ridge effect, czyli,
w wolnym tłumaczeniu, o odkrycie „linii grzbietowej” na wykresie korelacji
dwucząstkowych w oddziaływaniu proton-proton. Zostało to tak nazwane, bo na
trójwymiarowych wykresach przypomina grzbiet górski. Odkrycie było
możliwe dzięki zaprojektowaniu specjalnej ścieżki systemu wyzwalania
zapisu danych, która mogła być używana tylko przy stosunkowo małej
świetlności na początku roku 2010, gdyż później wysyciłaby całe pasmo
rejestracji danych. Zjawisko zostało najpierw odkryte w zderzeniach jądro-jądro
w RHIC-u (Relativistic Heavy Ion Collider), działającym w Brookhaven
National Laboratory, zlokalizowanym na Long Island w Nowym Jorku, do
niedawna dysponującym najwyższymi energiami zderzeń ciężkich jonów.
Polega ono na zwiększonym prawdopodobieństwie obserwacji par cząstek,
których pędy niewiele różnią się kątem azymutalnym
, ale
mogą się znacznie różnić kątem polarnym
, czyli rozlatują
się nawet prawie w przeciwne strony, ale w jednej półpłaszczyźnie,
której brzegiem jest oś wiązki. Na trójwymiarowym wykresie, na
którym miarę stopnia korelacji przedstawia się jako funkcję różnicy kąta
azymutalnego
i różnicy pewnej funkcji kąta polarnego
(konkretnie
), widać wydłużony garb dla
. Występowanie takiego fenomenu w oddziaływaniach jądro-jądro
zostało zinterpretowane jako jeden z (początkowo nieoczekiwanych)
przejawów występowania plazmy kwarkowo-gluonowej. Wygląda na
to, że w najbardziej centralnych zderzeniach proton-proton zachodzi
to samo zjawisko.
Obecny rok zapowiada się jeszcze ciekawiej. Mamy uzasadnioną nadzieję, że worek z tzw. nową fizyką może się rozwiązać. Pewności jednak nie ma i to, być może, jest właśnie najciekawsze.