Δημιουργία (σωματίων) χωρίς επαφή στις συγκρούσεις πυρήνων μολύβδου και χρυσού

Όταν βαρέα ιόντα, που επιταχύνονται μέχρι την ταχύτητα του φωτός, συγκρούονται μεταξύ τους στους επιταχυντές Ευρώπης και ΗΠΑ, σχηματίζεται πλάσμα κουάρκ-γλοιονίων για κλάσματα του δευτερολέπτου ή ακόμη το «κοκτέιλ» τους αναμιγνύεται με άλλα σωμάτια. Σύμφωνα με τους επιστήμονες από το Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής της Πολωνικής Ακαδημίας Επιστημών (Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk, ή IFJ PAN), πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι υπάρχουν υποτιμημένοι παράγοντες στην σκηνή: τα φωτόνια. Οι συγκρούσεις τους οδηγούν στην εκπομπή φαινομενικά πλεοναζόντων σωματίων, η παρουσία των οποίων δεν θα μπορούσε να εξηγηθεί.

Το φαινόμενο, όπως κάθε φαινόμενο, αποκαλύπτει και το νέο πρόβλημα που είχε να λύσει η επιστημονική κοινότητα και στη περίπτωση αυτή οι επιστήμονες του IFJ PAN. Πριν αναφερθούμε στην εργασία τους και στη νέα γνώση που αποκτήθηκε, ας δούμε μερικά στοιχεία που σχετίζονται με το πρόβλημα. Το πλάσμα κουάρκ-γλοιονίων είναι αναμφίβολα η πιο εξωτική κατάσταση ύλης που είναι γνωστή σε μας. Στον LHC στο CERN, στη Γενεύη, η κατάσταση ύλης αυτή σχηματίζεται κατά τη διάρκεια κεντρικών συγκρούσεων δύο ιόντων μολύβδου που πλησιάζουν το ένα το άλλο από αντίθετες κατευθύνσεις, κινούμενα με ταχύτητες πολύ κοντά σε αυτή του φωτός. Αυτή η σούπα κουάρκ-γλοιονίων είναι κάποιες φορές που αναμιγνύεται με άλλα σωμάτια. Δυστυχώς, η θεωρητική περιγραφή της σειράς των γεγονότων που περιλαμβάνει το πλάσμα και ένα κοκτέιλ άλλων πηγών, αποτυγχάνει να περιγράψει τα δεδομένα που συλλέγονται στα πειράματα. Η δυσαρμονία αυτή, θεωρητικής περιγραφής και πειραματικών δεδομένων, αποτελεί το νέο πρόβλημα που οι επιστήμονες προσπάθησαν να επιλύσουν. Μια επίλυση που θα οδηγήσει σε νέα γνώση η οποία θα οδηγήσει σε βελτιώσεις του θεωρητικού μοντέλου.

Η ομάδα των επιστημόνων στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής της Πολωνικής Ακαδημίας Επιστημών, που εργάστηκε για την επίλυση του προβλήματος, δημοσίευσε τη μελέτη της στο Physics Letters B και σε αυτή τη δημοσίευση εξήγησε την αιτία για τις ασυμφωνίες θεωρίας-πειράματος που παρατηρήθηκαν. Τα δεδομένα που συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων πυρήνων μολύβδου στον LHC, καθώς επίσης και κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων πυρήνων χρυσού στο RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) στο Εθνικό Εργαστήριο του Brookhaven, κοντά στη Νέα Υόρκη, άρχισαν να συμφωνούν με τη θεωρία όταν η περιγραφή των διεργασιών λαμβάνει υπόψη τις συγκρούσεις μεταξύ των φωτονίων που περιβάλλουν και τα δύο ιόντα που αλληλεπιδρούν. Αυτό αξίζει να το φωτίσουμε λίγο περισσότερο.

Χονδρικά θα μπορούσε να υποστηριχθεί ότι με επαρκώς υψηλές ενέργειες, τα μεγάλης μάζας ιόντα συγκρούονται όχι μόνο με τα πρωτόνια και τα νετρόνιά τους, αλλά ακόμη και με τα νέφη φωτονίων τους. Ας αφήσουμε την Dr. Mariola Klusek-Gawenda από το IFJ PAN να μας το διασαφηνίσει: «Όταν περιγράφουμε τη σύγκρουση ιόντων στον LHC ήδη λαμβάνουμε υπόψη συγκρούσεις μεταξύ φωτονίων. Ωστόσο, αυτές θεωρούνται εξαιρετικά περιφερειακές συγκρούσεις, στις οποίες τα ιόντα δεν χτυπούν μεταξύ τους, αλλά προσπερνούν τα ένα το άλλο χωρίς αλλαγές, αλληλεπιδρώντας μόνο με τα ηλεκτρομαγνητικά τους πεδία. Κανείς δεν θεωρεί ότι οι συγκρούσεις φωτονίων θα μπορούσαν να παίξουν ρόλο σε βίαιες αντιδράσεις όπου πρωτόνια και νετρόνια συγχωνεύονται σε μια σούπα κουάρκ-γλοιονίων».

Σε συνθήκες γνωστές από την καθημερινή ζωή, τα φωτόνια δεν συγκρούονται μεταξύ τους. Ωστόσο, όταν ασχολούμαστε με ιόντα μεγάλης μάζας που επιταχύνονται μέχρι περίπου την ταχύτητα του φωτός, η κατάσταση αλλάζει. Ο πυρήνας χρυσού περιέχει 79 πρωτόνια, ο πυρήνας μολύβδου μέχρι 82, έτσι το ηλεκτρικό φορτίο του κάθε ιόντος είναι αντίστοιχα πολλές φορές μεγαλύτερο από το στοιχειώδες φορτίο. Οι φορείς των ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων είναι τα φωτόνια, έτσι κάθε ιόν μπορεί να αντιμετωπίζεται ως ένα αντικείμενο που περιβάλλεται από ένα νέφος πολλών φωτονίων. Επιπλέον, στους RHIC και LHC, τα ιόντα κινούνται με ταχύτητες κοντά σε αυτή του φωτός. Συνεπώς, από την οπτική γωνία του παρατηρητή στο εργαστήριο, και τα δύο – ιόντα και νέφη φωτονίων που τα περιβάλλουν – εμφανίζονται να είναι εξαιρετικά λεπτές οντότητες, που ισιώνουν στην κατεύθυνση της κίνησης. Με κάθε πέρασμα μιας τέτοιας τηγανίτας πρωτονίου-νετρονίου, υπάρχει μια εξαιρετικά βίαιη ταλάντωση των πεδίων, ηλεκτρικού και μαγνητικού.

Στην κβαντική ηλεκτροδυναμική, τη θεωρία που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τον ηλεκτρομαγνητισμό σε σχέση με τα κβαντικά φαινόμενα, υπάρχει μια μέγιστη κρίσιμη τιμή του ηλεκτρικού πεδίου, της τάξης των 10 μέχρι 16 volts/cm. Εφαρμόζεται σε στατικά ηλεκτρικά πεδία. Στην περίπτωση των συγκρούσεων των μεγάλης μάζας ατομικών πυρήνων στους RHIC και LHC, ασχολούμαστε με δυναμικά πεδία που εμφανίζονται μόνο για εκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δισεκατομμυριοστού του ενός δευτερολέπτου. Για ένα τέτοιο εξαιρετικά βραχύ χρονικό διάστημα, τα ηλεκτρικά πεδία στις συγκρούσεις των ιόντων μπορούν να είναι ακόμη 100 φορές ισχυρότερα από την κρίσιμη τιμή.

Τις συνέπειες μιας τέτοιας κατάστασης εξηγεί ο Dr. Wolfgang Schäfer του IFJ PAN: «Στην πραγματικότητα, τα ηλεκτρικά πεδία των ιόντων που συγκρούονται στους RHIC και LHC είναι τόσο ισχυρά που δημιουργούν εικονικά φωτόνια και συμβαίνουν συγκρούσεις τους. Ως αποτέλεσμα αυτών των διεργασιών, διαμορφώνονται ζεύγη λεπτονίων-αντιλεπτονίων σε διάφορα σημεία γύρω από τα ιόντα όπου δεν υπήρχε καμία ύλη προηγουμένως. Τα σωμάτια του κάθε ζεύγους κινούνται απομακρυνόμενα το ένα από το άλλο με έναν χαρακτηριστικό τρόπο: κατά κανόνα σε αντίθετες κατευθύνσεις και περίπου κάθετα στην αρχική κατεύθυνση κίνησης των ιόντων». Με την επισήμανση ότι η οικογένεια των λεπτονίων περιλαμβάνει τα ηλεκτρόνια και τα μεγαλύτερης μάζας μυόνια και ταυ.

Οι αλληλεπιδράσεις φωτονίων και η παραγωγή ζευγών λεπτονίων-αντιλεπτονίων που σχετίζονται σε αυτά είναι κρίσιμα στις περιφερικές συγκρούσεις. Συγκρούσεις τέτοιες όπως αυτές που περιγράφηκαν από τους φυσικούς της Κρακοβίας πριν από λίγα χρόνια. Προς έκπληξή τους, πρέπει τώρα να διαχειριστούν για να δείξουν ότι τα ίδια φαινόμενα επίσης παίζουν σημαντικό ρόλο σε άμεσες συγκρούσεις πυρήνων, ακόμη και στις κεντρικές. Τα δεδομένα που συλλέχθηκαν για τους πυρήνες χρυσού στον RHIC και των πυρήνων μολύβδου στον LHC δείχνουν ότι κατά τη διάρκεια τέτοιων συγκρούσεων εμφανίζεται ένας ορισμένος «επιπλέον» αριθμός ζευγών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, τα οποία απομακρύνονται σχετικά αργά σε κατευθύνσεις περίπου κάθετες στις δέσμες των ιόντων. Η ύπαρξή τους ήταν δυνατόν να εξηγηθεί με ακρίβεια, απλά λαμβάνοντας υπόψη την παραγωγή ζευγών λεπτονίων-αντιλεπτονίων από τα φωτόνια που συγκρούονται.

«Το πραγματικό κερασάκι στην τούρτα για μας», συμπεραίνει ο καθηγητής Antoni Szczurek του IFJ PAN, «ήταν το γεγονός ότι με την ενίσχυση των υπαρχόντων εργαλείων για την περιγραφή των συγκρούσεων των μεγάλης μάζας ιόντων, με το φορμαλισμό μας που οικοδομήθηκε στην αποκαλούμενη συνάρτηση κατανομής Wigner, θα μπορούσαμε τελικά να εξηγήσουμε γιατί οι ανιχνευτές στα πειράματα των μεγαλύτερων σύγχρονων επιταχυντών καταγράφουν αυτούς τύπους κατανομών των λεπτονίων και των αντιλεπτονίων που διαφεύγουν από την περιοχή των συγκρούσεων των πυρήνων (για μια προσδιορισμένη κεντρικότητα της σύγκρουσης). Η κατανόησή μας για τις πιο σημαντικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα εδώ έχει γίνει πιο πλήρης».

Το μοντέλο έχει κεντρίσει το ενδιαφέρον των φυσικών που εργάζονται με τους ανιχνευτές ATLAS και ALICE στον LHC και θα χρησιμοποιηθούν στις επόμενες αναλύσεις των πειραματικών δεδομένων.

Πηγή: IFJ PAN

Περισσότερα στη δημοσίευση: Centrality dependence of dilepton production via γγ processes from Wigner distributions of photons in nuclei. Physics Letters B.