Polak i Francuz udowadniają, że warto strzelać neutrinami w protony

Diagram Feynmana ilustrujący indukowaną neutrinem produkcję mezonu D na nukleonie
Diagram Feynmana ilustrujący indukowaną neutrinem produkcję mezonu D na nukleonie; pogrubiona linia przedstawia ciężki kwark “powabny”, niepodpisana linia falista przedstawia gluon, niepodpisane cienkie linie ciągłe przedstawiają lekkie kwarki i antykwarki

13 stycznia 2016. Aktualności Zakładu Fizyki Teoretycznej

Protony i neutrony – podstawowe składniki materii – nadal kryją wiele tajemnic. Profesorowie B. Pire (EP, Fr.) i L. Szymanowski (NCBJ, Pl) policzyli, że niedostępne dotąd informacje na temat kwantowej struktury tych nukleonów można będzie wkrótce uzyskać bombardując je neutrinami. Ich praca opublikowana w czasopiśmie Physical Review Letters została uznana za jeden z wyróżniających się wyników uzyskanych w 2015 r. w Zakładzie Fizyki Teoretycznej NCBJ.

 

Już prawie pół wieku wiadomo, że proton, neutron i cała gama nietrwałych hiperonów oraz mezonów to obiekty złożone, zbudowane z kwarków i wiążących je gluonów. Aby „zajrzeć” do środka nukleonów i poznać ich wewnętrzną budowę fizycy dotychczas bombardowali je elektronami i obserwowali efekty takich zderzeń. Przy wysokich energiach zderzeń pociski nie tylko rozpraszają się na obiektach, w które trafiają, ale także mogą tworzyć się nowe cząstki. W naszym na co dzień obserwowanym świecie nie zdarza się by w wyniku zderzenia dwóch samochodów powstał dodatkowo jeszcze rower. W mikroświecie powstawanie nowych cząstek przy zderzeniach jest zjawiskiem dość typowym, jeśli tylko energia zderzenia jest wystarczająco duża. Analizując ogromną liczbę zderzeń elektronów o różnych energiach np. z protonami, obserwując jakie nowe produkty powstają, pod jakimi kątami rozlatują się najczęściej i jak najczęściej pęd układu rozłożony jest pomiędzy produkty zderzenia, można uzyskać wiele informacji rzucających światło na szczegóły kwantowej budowy wewnętrznej bombardowanego protonu.

Profesorowie Bernard Pire z Ecole Polytechnique oraz Lech Szymanowski z NCBJ przeanalizowali rozważany od pewnego czasu pomysł by w badaniach struktury nukleonów użyć neutrin zamiast elektronów. Neutrina to niemal bezmasowe cząstki, które pozbawione są ładunku elektrycznego i niesłychanie słabo oddziałują z materią. Powstają one w wyniku rozpadu cząstek nietrwałych, dzięki czemu fizycy mogą wytwarzać wiązki neutrin w odpowiednio przygotowanych akceleratorach. Obliczenia profesorów Pire i Szymanowskiego dowodzą, że bombardowania protonów neutrinami byłoby bardzo pouczające. W zderzeniach neutrin z protonami będą powstawać ciężkie kwarki powabne, a ostatecznie mezony D, których tworzenie w zderzeniach protonów z elektronami jest niezwykle mało prawdopodobne. Badacze wykonali pionierskie obliczenia procesu produkcji mezonów D w ramach teorii kwantowej: wykazali, że analizując kąty, pod którymi wyprodukowane mezony D opuszczają obszar zderzenia, można uzyskać niedostępną dotąd ważną informację o tym jak spin – kwantowy odpowiednik momentu pędu – jest rozdzielony pomiędzy poszczególne kwarki tworzące nukleon. Wyniki obliczeń w niedługim czasie zapewne zostaną wykorzystane w praktyce, gdyż w Stanach Zjednoczonych prowadzone są intensywne prace nad wytworzeniem wiązek neutrin, które umożliwią przeprowadzenie odpowiednich eksperymentów. Ich wynik będzie kolejnym krokiem do lepszego zrozumienia istoty sił odpowiedzialnych za istnienie całej znanej nam materii i nas samych.

 

Jest to jedna z pięciu wyróżnionych prac wykonanych w Zakładzie Fizyki Teoretycznej NCBJ w 2015 r.

Oprac. notatki: mp

Diagram Feynmana ilustrujący indukowaną neutrinem produkcję mezonu D na nukleonie