Jak z cząstek elementarnych składników powstaje stabilna materia?
Międzynarodowy zespół badaczy z udziałem naukowców z z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej, pracujący w ramach eksperymentu STAR w ośrodku Brookhaven National Laboratory, uzyskał wyniki, które pomagają lepiej zrozumieć jedne z najbardziej fundamentalnych właściwości materii.
Badania prowadzono w Relatywistycznym Zderzaczu Ciężkich Jonów, gdzie dochodzi do zderzeń cząstek przy ogromnych energiach, pozwalających odtworzyć warunki zbliżone do tych, które panowały tuż po Wielkim Wybuchu.
Analiza zderzeń proton–proton wykazała istnienie wyraźnych korelacji spinowych między parami hiperonów, czyli cząstek zbudowanych z kwarków. Oznacza to, że ich własności – w tym kierunek „wirowania” – nie są przypadkowe, lecz powiązane w sposób wynikający z głębokiej struktury próżni kwantowej. Zaobserwowany efekt polaryzacji na poziomie około 18 procent stanowi bezpośredni, eksperymentalny ślad tego, że w próżni nieustannie pojawiają się i znikają wirtualne pary kwark–antykwark, które wpływają na cząstki powstające w trakcie zderzeń.
Co ważne, efekt ten zanikał w sytuacjach, gdy cząstki oddzielone były dużym kątem. Zjawisko to jest zgodne z przewidywaniami dotyczącymi utraty kwantowych powiązań, czyli tzw. dekoherencji. Oznacza to, że badacze nie tylko zaobserwowali nowe zjawisko, lecz także potwierdzili teoretyczne modele opisujące zachowanie materii w skali subatomowej. Uzyskane wyniki dostarczają nowego narzędzia do badania jednego z największych wyzwań współczesnej fizyki: zrozumienia, w jaki sposób kwarki – podstawowe składniki protonów i neutronów – pozostają trwale „uwięzione” wewnątrz hadronów i jak z tych elementarnych składników powstaje stabilna materia.
Badania mają znaczenie wykraczające poza fizykę cząstek
Uwięzienie kwarków oraz zjawisko dynamicznego łamania symetrii chiralnej odpowiadają za powstanie niemal całej masy widzialnej materii we Wszechświecie. To właśnie dzięki tym procesom protony i neutrony mają masę znacznie większą niż suma mas tworzących je kwarków. Coraz większą rolę w opisie tych zjawisk odgrywa również splątanie kwantowe, które wskazuje na głębokie powiązania między strukturą próżni a właściwościami cząstek elementarnych.
Znaczenie tych badań polega na tym, że po raz pierwszy udało się tak wyraźnie powiązać eksperymentalne obserwacje z teoretycznym opisem struktury próżni i oddziaływań silnych. To krok w stronę pełniejszego zrozumienia, skąd bierze się masa i stabilność materii oraz jak z prostych składników mikroświata wyłania się złożony, materialny Wszechświat. Wyniki wzmacniają także międzynarodową pozycję zespołu badawczego i pokazują, że polscy naukowcy odgrywają istotną rolę w badaniach nad najbardziej fundamentalnymi prawami przyrody.
Źródło: Politechnika Warszawska
Czytaj też: Nowy sposób na usuwanie szkodliwych gazów cieplarnianych
Grafika tytułowa: ThisisEngineering / Unsplash
