Experimentul ALICE de la marele accelerator LCH (CERN) 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 cuarcilor într-un anumit con în jurul direcției de propagare, cuarci care se formează în urmă interacțiunii dintre protonii de la LHC.

Lumea cuarcilor

Atomii au o structura deosebit de complexă: sunt formați dintr-un nucleu central, în jurul căruia orbitează electronii. Nucleul, la rândul lui, este compus din protoni și neutroni, care sunt alcătuiți din cuarci. Cuarcii sunt ținuți împreună în protoni și neutroni de către așa-numiții gluoni – purtătorii interacțiunii nucleare puternice. Protonii și neutronii sunt fiecare compuși din două tipuri de cuarci: „up” și „down” – protonul conține doi cuarci up și unul down, iar neutronul doi down și unul up. Pe lângă aceste două tipuri de cuarci au fost descoperiți alți patru: strange, charm, bottom și top. Toți cuarcii împreună cu electronii, neutrinii dar și alte particule elementare (inclusiv bosonul Higgs) fac parte din așa-numitul Model Standard al fizicii particulelor elementare.

Studiul cuarcilor la LHC

La marele accelerator de particule Large Hadron Collider (LHC) de la CERN sunt studiate particulele elementare din Modelul Standard și legile fizicii. Pentru a face acest lucru la accelerator se ciocnesc fascicule de protoni (sau ioni de plumb) la energii extrem de mari. În momentul în care are loc ciocnirea, cuarcii și gluonii din interiorul unui fascicol de protoni se ciocnesc cu cuarcii și gluonii din interiorului fascicolului protonilor cu care are loc ciocnirea. În urmă acestor procese iau naștere alte particule – multe 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 patru mari experimente studiază lumea microscopică: ATLAS, CMS, LHCb e  ALICE.

ALICE și conul mort

Colaborarea ALICE a publicat recent un articol foarte interesant în Nature în care, pentru prima dată în mod direct, a reușit să observe așa-numitul efect de con mort în studiul cuarcilor, în mod specific cuarcul charm.

Atunci când în urma ciocnirilor la energii înalte dintre cuarcii din protonii observați de ALICE se produc alți cuarci, 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 de raportul dintre masa cuarcului și energia acestuia în jurul direcției de propagare a cuarcului. 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 cuarcii – aceștia dau naștere unor jeturi de particule și „hadroniezază” – adică cuarcii se leagă între ei în particule care se numesc hadroni și pe care le măsurăm experimental. Multe dintre aceste particule hadronizate ajung în conul mort.

Că să observe efectul de con mort pentru cuarcii de tip charm cercetătorii au folosit metode de analiză avansate – care au plecat de la măsurătoare mergând „înapoi în timp” până la gluonii generați de cuarci, reușind să observe cum acești gluoni respectă efectul de con mort – adică nu sunt emiși în direcții cu unghiurile mai mici de raportul dintre masă și energia cuarcilor.

La ce folosește?

Studiul acestui efect este interesant, fiind și prima dată când a fost observat experimental. Ar putea fi folosit în viitor pentru a avea informații mai precise despre masa cuarcului charm – întrucât acesta este observat de obicei în hadroni – adică legat cu alți cuarci. Posibilitatea de a studia conul mort ne-ar ajuta să observăm cuarcul charm înainte că acesta să hadronizeze – ceea ce ar fi extrem de interesant.

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare și al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisică Nucleare (Roma, Italia) și colaborator al Scientia.ro