A CERN Nagy Hadronütköztetőjének (LHC) kísérletét elemezve mért adatokkal igazolták az atomot alkotó részecskék közötti erős kölcsönhatást leíró elméleti modelleket a HUN-REN Wigner FK Részecske- és Magfizikai Intézete kutatóinak vezetésével.
Egy központi exkluzív esemény képe a CMS és TOTEM detektorokban.
A részecskefizika olyan kérdésekkel foglalkozik, melyek alapvető fontosságúak a természet és összefüggései megértése szempontjából: miből áll a világ, melyek az anyag elemi építőkövei, milyenek a közöttük működő erők? A kutatók az elemi részecskék és kölcsönhatások tulajdonságait több helyszínen, köztük a Genf mellett működő CERN Nagy Hadronütköztetőjénél vizsgálják. A minket körülvevő világ mélyebb megértése új összefüggések feltárását eredményezi.
Jelenleg négy alapvető kölcsönhatást ismerünk, ezek a jól ismert elektromágnesség, a bizonyos radioaktív bomlásokért felelős gyenge kölcsönhatás, a mindenre ható tömegvonzás és az atommagot és alkotórészeit összetartó erős kölcsönhatás, amit az LHC CMS kísérletében is tanulmányoznak. Az erős kölcsönhatás tartja össze a hadronokat, köztük olyan fontos részecskéket, mint a proton és neutron, amely a hadronokat alkotó kvarkok között, gluonok cseréjén keresztül hat. A fotonokkal ellentétben a gluonok maguk is „erősen” töltöttek, töltésük sokféleségét színekkel jellemzik, azaz színtöltést hordoznak. Ennek két érdekes következménye van: a kölcsönhatás során a gluonok megváltoztatják a kvarkok színét, ráadásul újabb gluonokat is kibocsáthatnak vagy nyelhetnek el. Az erős kölcsönhatás rövid távolságokon nagyon erős, elméleti szempontból viszont meglehetősen nehezen kezelhető.
Mi történik, ha két nagy energiájú proton halad el egymás közelében? Egyrészt rugalmasan, nagyon kis szögben szóródhatnak egymáson, másrészt a kísérletek kimutatták, hogy a szórásnak van egy másik, sokkal erősebb összetevője is. A szórás során a protonok (nulla színtöltéssel) sértetlenek maradnak, így egyetlen gluon cseréje nem adhat magyarázatot. Két vagy több gluon egyidejű cseréje már működhet: a két proton anélkül tud kölcsönhatásba lépni, hogy beszíneződne. A kicserélt dolog nem egy elemi részecske, hanem végtelen sok „részecsketörténet” (Feynman-diagram) gyűjteménye, amelyek gluonokat tartalmaznak nagyon változatos elrendezésben. A fizikusok ezt a dolgot, objektumot, pomeronnak nevezték el (Iszaak Pomerancsuk szovjet elméleti fizikus után).
1. ábra: Kettős pomeroncserével megvalósuló nemrezonáns központi exkluzív részecskekeltés. A két bejövő proton (pa, pb) által kibocsátott pomeronok (P) egy virtuális hadronon (h) keresztül kapcsolódnak össze. A detektorban még egy részecske-antirészecske párt (h+ és h-) is észlelünk. A két proton közötti tetszőleges számú további pomeroncsere (árnyékolt folt a bal oldalon, kT) bonyolítják a folyamatot.
Gondolhatunk olyan esetekre is, amikor a két proton által kibocsátott pomeronok összeolvadása új részecskéket eredményez, mint például az 1. ábrán látható újonnan keltett hadronpár (h+ és h-). Ezek a hadronok lehetnek egy rezonancia bomlástermékei, vagy megjelenhetnek egy nemrezonáns folyamaton keresztül, amely virtuális hadront tartalmaz. (Egy ilyen részecskét virtuálisnak vagy látszólagosnak nevezünk, mert rendelkezik egy közönséges részecske jellemzőivel, de más a tömege és rövid életű.)
Az ilyen, kettős pomeroncserének nevezett folyamatokat tanulmányozta közösen a CERN CMS és a TOTEM kísérlete, egy speciális adatgyűjtési kampányban, a HUN-REN Wigner FK Részecske- és Magfizikai Intézete kutatóinak vezetésével. A szórt protonokat a TOTEM kísérlet nyomkövető detektoraival („római edények”) észleljük, amelyek az LHC alagútban, a CMS detektor közepétől mindkét irányban, mintegy 200 m-re találhatók. (2. ábra).
2. ábra: Egy központi exkluzív esemény a CMS és a TOTEM detektorokban. A két szórt proton irányát világoskék nyilak jelölik. A sárga vonalak a két töltött hadron mágneses térben meggörbült pályáit mutatják. A kis téglalapok a szilíciumalapú nyomkövető aktív lapocskáit jelzik. https://cms3d.web.cern.ch/SMP-21-004-embedded
Az ábra tovább nagyítható és forgatható ezen az oldalon: https://cms3d.web.cern.ch/SMP-21-004/.
A protonok ütközéskor nem csak szóródtak egymáson, hanem – továbbhaladásuk közben – két új részecskét is keltettek. Sikerült nagy pontossággal, részletesen megmérni, feltérképezni a „kettős pomeroncserés” folyamat sok jellemzőjét (szög- és tömegeloszlások). A mért adatokkal igazolták és tovább javították az erős kölcsönhatás bonyolult belső működését leíró elméleti modelleket, melynek eredményeit a Q1-es rangú Physical Review D folyóiratban közölték. A szakterület legjobb negyedében megjelent publikáció nagy együttműködésben készült, melyben a HUN-REN Wigner FK Nagyenergiás Fizikai Osztályának munkatársai vettek részt.
További információk:
• Publikáció: CMS and TOTEM Collaborations, „Nonresonant central exclusive production of charged-hadron pairs in proton-proton collisions at √s = 13 TeV”;
• Eredeti anyag a CERN CMS együttműködés kiemelt hírek oldalán: https://cms.cern/news/search-strong-interaction-pomeron
• Run 3 of the Large Hadron Collider, https://home.cern/press/2022/run-3
Szerző: Siklér Ferenc
