COMPASS dostarcza kluczowe dane o oddziaływaniach silnych

Opublikowana informacja naukowców eksperymentu COMPASS, prowadzonego w CERN, uściśla dane o podstawowym znaczeniu dla fizyki cząstek elementarnych. Oddziaływania silne wiążą kwarki w nukleony (protony i neutrony), a także nukleony w jądra atomowe wszystkich pierwiastków z których zbudowana jest materia. Złożone z jednego kwarka i jednego anty-kwarka cząstki zwane pionami przenoszą te odziaływania wewnątrz jąder. Teoria oddziaływań silnych dokładnie przewiduje podatność pionów na polaryzację tj. stopień do jakiego dają się one deformować (rozciągać). Ich faktyczna podatność na polaryzację wprawiała naukowców w zakłopotanie już od dekady lat 80 ubiegłego wieku, kiedy to wyniki otrzymywanych pierwszych pomiarów sugerowały sprzeczność z teorią. Jednak opublikowane dziś wyniki potwierdzają teorię.

“Teoria oddziaływań silnych to jeden z kamieni węgielnych naszego zrozumienia natury na poziomie cząstek elementarnych” – powiedzieli Fabienne Kunne i Andrea Bressan, rzecznicy eksperymentu COMPASS.

Wszystko co widzimy we Wszechświecie składa się z kwarków i leptonów, kolektywnie zwanych cząstkami elementarnymi. Trójki związanych kwarków to cegiełki, z których zbudowane są protony i neutrony, a zatem jądra wszystkich atomów. Przykładowo, jądro wodoru składa się z jednego protonu, a jądro złota – z 79 protonów i 118 neutronów. Protony i neutrony w jądrach stale wymieniają się pionami przenoszącymi oddziaływania silne odpowiedzialne  za wiązanie kolekcji protonów i neutronów w jądra. Każdy taki pion składa się z kwarka i anty-kwarka ściśle związanych ze sobą oddziaływaniem silnym. Tak więc podatność pionów na deformację (inaczej na polaryzację) może być bezpośrednią miarą sił oddziałujących między kwarkami.

Aby zmierzyć podatność pionów na polaryzację, w eksperymencie COMPASS wstrzeliwuje się wiązkę pionów w niklową tarczę. Poczynając od odległości mniej więcej dwukrotnie większych niż promienie pionów zbliżających się do jąder niklu, pole elektryczne jądra staje się na tyle silne, że piony ulegają odkształceniom i modyfikują swe trajektorie, emitując przy tym fotony promieniowania elektromagnetycznego. Podatność pionów na polaryzację mierzy się mierząc energie tych fotonów i odchylenia torów lotu pionów. Wielkości te zmierzono na dużej próbce 63000 pionów. Wyniki wskazują, że – zgodnie z teorią oddziaływań silnych – piony są o wiele bardziej sztywne niżby to sugerowały poprzednie pomiary.

“Te dane znakomicie uzupełniają wyniki prowadzonych przy akceleratorze LHC studiów nad oddziaływaniami fundamentalnymi i świadczy o różnorodności i sile programu badawczego CERN” – powiedział Rolf Heuer, Dyrektor ośrodka CERN. – “Podczas gdy bozon Higgsa – zaproponowany przez Brout’a, Englert’a i Higgs’a – odpowiada za masy cząstek fundamentalnych umożliwiając istnienie złożonych obiektów jak my sami, to lwia część mas tych obiektów bierze się z energii wiązania tych cząstek utrzymywanych razem przez oddziaływania silne.”

W eksperymencie COMPASS udział biorą również polscy naukowcy. Prof. dr hab. Andrzej Sandacz z NCBJ, kierownik konsorcjum polskich ośrodków biorących udział w badaniach podkreśla znaczenia otrzymanych wyników: „Precyzyjny pomiar elektromagnetycznej polaryzowalności pionu, tzn.wymuszonego odkształcenia silnie związanego układu kwark-antykwark w zewnętrznym polu elektromagnetycznym, stanowi ważne eksperymentalne potwierdzenie teorii oddziaływań silnych, chromodynamiki kwantowej. Dzięki zastosowanym rozwiązaniom w eksperymencie mogliśmy po raz pierwszy przeprowadzić szereg systematycznych testów, które pozwoliły potwierdzić, że mierzony efekt jest rzeczywiście oceniony z dużą precyzją”.