Bliski promašaji u akceleratorima za novu fiziku

Akceleratori čestica otkrivaju srž nuklearne materije sudarajući atome brzinom bliskom brzini svjetlosti. Sudari visoke energije proizvode pljusak subatomskih fragmenata koje znanstvenici zatim mogu proučavati kako bi rekonstruirali temeljne gradivne blokove materije.

Tim predvođen MIT-om sada je koristio najmoćniji akcelerator čestica na svijetu kako bi otkrio nova svojstva materije, kroz "bliske promašaje" čestica. Taj je pristup pretvorio akcelerator čestica u novu vrstu mikroskopa - i doveo do otkrića novog ponašanja sila koje drže materiju na okupu.

U studiji koja se ovog tjedna pojavljuje u časopisu Physical Review Letters, tim izvještava o rezultatima Velikog hadronskog sudarača (LHC) - masivnog podzemnog akceleratora u obliku prstena u Ženevi u Švicarskoj. Umjesto da se usredotoče na sudare čestica u akceleratoru, tim s MIT-a tražio je slučajeve kada su se čestice jedva sudarile.

Kada čestice putuju brzinom bliskom brzini svjetlosti, okružene su elektromagnetskim haloom koji se spljošti kada čestice prolaze blizu, ali se ne sudare. Palačinkasta energetska polja proizvode fotone izuzetno visoke energije. Povremeno, foton iz jedne čestice može se odbiti od druge čestice, poput intenzivnog, kvantnog uboda svjetlosti.

MIT-ov tim uspio je uočiti takve bliske ubode, ili ono što znanstvenici nazivaju "fotonuklearnim interakcijama", iz podataka o sudarima čestica LHC-a. Otkrili su da kada neki fotoni udare u česticu, izbace vrstu subatomske čestice, poznate kao D0 mezon , koju su znanstvenici prvi put mogli izmjeriti.

D0 mezoni su subatomske čestice koje sadrže tzv. šarmantni kvark, rijetku vrstu kvarka koji  se normalno ne nalazi u običnoj nuklearnoj materiji. Kvarkovi su temeljni gradivni blokovi sve materije i vezani su gluonima, česticama bez mase koje su nevidljivo ljepilo ili "jaka sila" koja drži materiju zajedno. Rijetki šarmantni kvarkovi mogu nastati samo u interakcijama visokih energija. Kao takvi, oni pružaju posebno čistu, nedvosmislenu sondu kvarkova i gluona unutar jezgre.

Mjerenjima D0 mezona , istraživači su mogli procijeniti koliko su gluoni čvrsto zbijeni i, u biti, koliko je jaka jaka sila unutar jezgre čestice.

Za svoju novu studiju, istraživači su prvo simulirali kako bi izgledala fotonuklearna interakcija usred niza sudara drugih čestica. Konkretno, simulirali su scenarij u kojem foton udara u jezgru i proizvodi D0 mezon.

Iako su ovi događaji rijetki, D0 mezoni su među najzastupljenijim česticama koje sadrže šarmantni kvark. Tim je zaključio da bi, ako bi mogli otkriti znakove šarmantnog kvarka u D0 mezonima  koji nastaju u fotonuklearnoj interakciji, to moglo dati vrijedne informacije o gluonima koji drže jezgru na okupu.

Pomoću svojih simulacija, istraživači su zatim razvili algoritam za detekciju fotonuklearnih interakcija. Implementirali su algoritam na CMS detektoru kako bi tražili signale u stvarnom vremenu tijekom sudara čestica na LHC-u.

Iz ovog ogromnog skupa podataka, tim je identificirao čist uzorak ovih rijetkih događaja iskorištavajući napredne mogućnosti detektora CMS-a za odabir događaja koji su zamalo promašili događaje i rekonstrukciju svojstava D0 mezona .

Tim sada radi na poboljšanju točnosti mjerenja kako bi pružio jasniju sliku o tome kako su kvarkovi i gluoni raspoređeni unutar jezgre.