ATLAS - Články a novinky

Nové možnosti výzkumu struktury protonu na urychlovači LHC

Urychlovač LHC v evropské laboratoři CERN předvedl fenomenální výkon v období let 2009 - 2012, během kterých se podařilo nejen objevit vytoužený Higgsův boson, ale i ověřit množství dalších parametrů našich modelů mikrosvěta. Budoucí běh tohoto urychlovače, jehož počátek je plánovaný na jaro 2015, však slibuje mnoho dalších objevů, které jsou doposud nepozorovatelné díky relativně malému množství naměřených srážek.

V současné době je urychlovač LHC upravován tak, aby mohl být začátkem roku 2015 opětovně spuštěn. V plánovaném období jeho druhého běhu, tzv. Run II., bude urychlovat protony, jádra vodíku, na zhruba dvojnásobek předchozí energie. S nárůstem energie srážek částic porostou pravděpodobnosti výskytu vzácných procesů, jejichž existenci pouze předpokládáme nebo které zatím pozorujeme jen v náznacích a zcela se ztrácí v množství údajů z jiných, již známých procesů. Dalším, ještě významnějším parametrem urychlovače, jež bude rovněž navýšen, je jeho luminosita představující množství srážek za jednotku času. Po plánovaném mnohaletém běhu urychlovače budou mít vědci možnost zkoumat tyto vzácné procesy a právě jistá statistická významnost naměřených údajů bude klíčem k dalším objevům a zpřesnění či vyvrácení dílčích modelů a teorií.

Urychlovač LHC

Obrázek 1. Urychlovač LHC (Large Hadron Collider) je posledním článkem v řetězci urychlovačů v laboratoři CERN u Ženevy. Je umístěn v podzemí, v přibližně kruhovém tunelu o šířce 4 metry a délce 27 kilometrů. Na obrázku je vidět povrchový nákres pozice LHC v krajině, pod ním pak pohled do tunelu a detail vnitřní struktury. Tubus urychlovače obsahuje dvě trubice pro cirkulaci urychlených svazků, jedna v každém směru, chladicí a vakuovou techniku a vinutí několika druhů supra-vodivých magnetů.

[ foto: CERN ] https://cds.cern.ch/record/826521

 

Jedním z hledaných procesů ve srážkách protonů je násobný partonový rozptyl (NPR). Tento typ srážek začal být uvažován již od sedmdesátých let 20. století, ruku v ruce s vývojem partonového modelu a kvantové chromodynamiky. Ve zjednodušené podobě lze říci, že protony s vysokou energií jsou složeny z vysokého počtu mnohem menších částic, kvarků a gluonů, souhrnně nazývaných partony. Tyto částice mezi sebou silně interagují a mohou náhodně vyzařovat další a další partony. Výsledným objektem je pak jakýsi hustý mrak vířících partonů. Tyto partony se v nastalé srážce protonů jeví jako bodové a především zcela volné, tedy bez vazeb na okolní systém. Toto zjištění bylo do značné míry záhadou, jež vysvětlila až teorie asymptotické volnosti, za kterou v roce 2004 dostali autoři Nobelovu cenu. V této teorii je interakce mezi partony o to slabší, čím blíže k sobě jsou.

Výchozím bodem ke studiu NPR a současně základním stavebním kamenem fyziky vysokých energií je model, v němž je srážka protonů popsána pomocí jediné parton-partonové interakce. První parton v této interakci pochází z prvního protonu a druhý parton z druhého protonu. V nejjednodušším výpočtu, který pro mnoho procesů zcela postačí, je proton popsán jednoduchou rozdělovací funkcí, udávající pravděpodobnost nalezení hledaného partonu v protonu. Následně je sčítáno přes všechny možné partonové interakce ke kterým může dojít. Pro studium struktury protonu je důležité co nejpřesněji modelovat právě tyto rozdělovací funkce, které mohou mít několik podob, od jednoduchých až po velmi složité, v závislosti na množství popisovaných fyzikálních veličin a kvantových číslech. Jen pro představu uveďme třeba partonovou vůni, barvu, spin či podélnou a příčnou hybnost.

Proton

Obrázek 2. Standardní model, který byl v roce 2013 ještě posílen objevem Higgsova bosonu, popisuje proton jako částici složenou z kvarků a gluonů různých chutí a barev, souhrnně nazývaných partony (z anglického “part of proton“). Gluony jsou zakresleny jako řetězy poutající kvarky k sobě. Často se o nich mluví jako o barevných strunách.

 [ foto: RIKEN ] http://www.riken.jp/en/research/labs/

 

V případě jednoduché interakce jednoho páru partonů zcela ignorujeme chování zbylých partonů v daném protonu. Naopak v případě NPR, kdy výše zmíněným způsobem popisujeme interakci více párů partonů v jedné proton-protonové srážce, musíme zahrnout i vzájemné polohy a vlastnosti více partonů v daném protonu. I přesto, že mnoho modelů považuje samotné partonové interakce ve srážce protonů za na sobě nezávislé, partony uvnitř jednoho protonu vstupující do interakce spolu bezesporu před srážkou interagovaly a tedy ovlivňovaly svoje vlastnosti. Statisticky řečeno, jejich vlastnosti jsou korelovány. Modelované korelace a jiné vlastnosti takového procesu jsou následně konfrontovány s experimentálními údaji a fyzikové tak mohou upravovat své představy o zákonitostech mikrosvěta.

První známky existence NPR pocházejí z osmdesátých let 20. století z experimentu UA5 v mezinárodní laboratoři pro jadernou fyziku CERN. Vysoké množství částic vylétávajících ze srážek protonů s anti-protony bylo vysvětleno právě až se započítáním NPR. Jediná partonová srážka by nebyla schopna statisticky produkovat pozorované množství částic s danými vlastnostmi. Vzápětí následovalo první skutečně dedikované měření NPR, které bylo provedeno na experimentu AFS, opět v laboratoři CERN. Vědci se v tomto případě zaměřili na studium produkce 4 jetů. Měření jetů, výraznějšího svazku částic (z angl. tryska), oproti celkové detektorové odezvě, je v moderní fyzice nezbytností, neboť s vysokými energiemi srážek již nelze detailně rozlišit jednotlivé vylétávající částice. Pomocí speciálních detektorů, tzv. kalorimetrů, se měří pouze energie zanechaná těmito částicemi v relativně větším objemu, než jsou vzdálenosti mezi jednotlivými částicemi. I přesto, že technologie polovodičových detektorů nabízí stále lepší a lepší odezvu a rozlišení, jsou kalorimetry důležitou součástí dnešních detektorů.

Po experimentu AFS bylo provedeno ještě několik dalších měření v laboratořích CERN a Fermilab. Všechny výsledky výrazně potvrzovaly, že jev NPR je mnohem pravděpodobnější, než bylo očekáváno. Samotná četnost srážek tedy stačí k narušení představy o protonu složeném z partonů rovnoměrně v celém svém objemu. Všechny současné počítačové programy popisující celou srážku dvou protonů započítávají v různých obměnách tento experimentálně ověřený fakt. Zjednodušeně řečeno, popisují nalétávající proton jako partonový mrak s výrazným energetickým centrem obklopeného mnoha dalšími partony, jež se vysoce energetických interakcí účastní jen zanedbatelně málo. Matematicky řečeno, výše zmíněné rozdělovací funkce nabývají mnohem komplikovanějšího rázu a jsou intenzivně studovány a vyvíjeny teoretiky po celém světě.

Experimenty na LHC umožní další měření NPR a to s velmi výrazným posunem od studia silných interakcí ke studiu interakcí čistě elektro-slabých. Prozatím jsou naměřeny silné interakce produkující 4 jety, případně produkující dva jety doprovázející foton nebo boson W. Výhodou např. elektro-slabé anihilace dvou partonů je, že může nastat pouze pro malý počet kombinací různých druhů partonů. V násobné kombinaci (v případě NPR) pak studium takového procesu poskytuje důležité informace o mezi-partonových interakcích a jejich vliv na měřené četnosti srážek.

Přestože je prozatím většina otázek spíše nezodpovězena, je studium NPR velmi zajímavým a v podstatě unikátním způsobem, jak se dozvědět více o struktuře protonů. Jelikož protony spolu s neutrony, které mají velmi podobnou partonovou strukturu jako protony, tvoří jádra všech stabilních prvků známého vesmíru, můžeme bez nadsázky říci, že za posledních několik desetiletí se výrazně prohloubila naše znalost nitra hmoty, o které ani alchymisté císaře Rudolfa II. nesnili. Ovšem ani LHC nejspíše nebude představovat poslední krok za naším poznáním mikrosvěta. Nová fyzika, například v podobě super-symetrických částic, může přinést mnohá překvapení. Zvažovanými budoucími kroky vpřed jsou další úpravy urychlovače LHC na velmi vysoké luminosity, HL LHC (High Luminosity LHC), a poté vybudování dalšího urychlovače. Ten může mít podobu přímého urychlovače, např. CLIC (Compact Linear Collider) a ILC (International Linear Collider), nebo velkého kruhového urychlovače, prozatím označovaného jako FCC (Future Circular Collider).

Elementární částice

Obrázek 3. Všechny v současnosti známé elementární částice, tj. částice bez hlubší vnitřní struktury, lze rozdělit do tří skupin: leptony (leptons), kvarky (quarks) a polní částice zprostředkovávající interakce mezi nimi (force carriers). K částicím z prvních dvou skupin existují rovněž i anti-částice s analogickými vlastnostmi. Základní strukturu protonu s nulovou energií tvoří dva kvarky u a jeden kvark d. Neutron je tvořen podobně, dvěma kvarky d a jedním kvarkem u. Jelikož atomy stabilních prvků jsou tvořeny protony, neutrony a leptony e (elektrony), lze považovat tuto skupinu částic za základní, označovanou jako I. generace elementárních částic. Částice vyšších generací jsou mnohem hmotnější a zpravidla nestabilní.

[ foto: Fermilab ] http://vms-db-srv.fnal.gov/fmi/xsl/VMS_Site_2/000Return/photography/r_photodetail.xsl?-db=FermiVMSPhotoDatabase&-lay=WWWRelBrowse&-recid=80287&-fin