Fizyk „koloru” z NCBJ wśród najczęściej cytowanych naukowców świata

Prace dotyczące poszukiwanego od ponad 20 lat egzotycznego stanu materii – kondensatu kolorowego szkła – zapewniły dr. Guillaume'owi Beufowi, teoretykowi z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku, obecność w prestiżowym rankingu Uniwersytetu Stanforda, obejmującym 2% najczęściej cytowanych naukowców świata.

Nie, to nie będzie tekst o optyce, ani o hutnictwie szkła!

Za ranking cieszący się szczególną renomą w świecie nauki uchodzi World's Top 2% Scientists, zgodnie z nazwą prezentujący elitarną grupę 2% najczęściej cytowanych naukowców. Ranking jest opracowywany przez Stanford University na podstawie informacji bibliometrycznych zawartych w bazie danych Scopus wydawnictwa Elsevier. W najnowszej edycji rankingu znalazło także kilku fizyków z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku, w tym dr Guillaume Clement Beuf z Zakładu Fizyki Teoretycznej, który na Stanfordzką listę autorów najczęściej cytowanych w ubiegłym roku trafił m.in. dzięki artykułom dotyczącym ultragęstego stanu materii: kondensatu kolorowego szkła.

Dr Beuf rozpoczął pracę w Zakładzie Fizyki Teoretycznej NCBJ trzy lata temu. Rozwija tu swoje zainteresowania badawcze związane z chromodynamiką kwantową, dziedziną fizyki zajmującą się silnymi oddziaływaniami jądrowymi. Oddziaływania te, określane także mianem kolorowych, wiążą kwarki i gluony w cząstki nazywane hadronami. Do nich zaliczamy m.in. protony i neutrony, będące składnikami jąder atomowych, a więc całego dobrze znanego nam świata materialnego i nas samych.

„Siły elektromagnetyczne, za których pomocą wchodzimy w interakcje z naszym otoczeniem, są przenoszone między cząstkami przez fotony. Analogicznie, nośnikami oddziaływań silnych między kwarkami są gluony”, tłumaczy dr Beuf i zaraz precyzuje: „Między elektromagnetyzmem a oddziaływaniami kolorowymi są jednak ważne różnice. Przede wszystkim oddziaływania silne nie słabną z odległością, lecz rosną. Mało tego, o ile fotony się wzajemnie 'nie widzą', o tyle gluony mogą oddziaływać między sobą. Wszystko to powoduje, że oddziaływania z udziałem kwarków i gluonów w większości przypadków są bardzo trudne do opisania”.

Głębokie zrozumienie oddziaływań kolorowych jest niezbędne, ponieważ umożliwia fizycznie wiarygodną analizę danych ze zderzeń protonów lub jąder atomowych we współczesnych akceleratorach. Wiadomo na przykład, że gdy kolidujące cząstki mają nawet niezbyt duże energie, to w procesach rozpraszania pod znacznymi kątami oddziaływania silne będą zachodziły na niewielkich odległościach. W takich zderzeniach kwarki i gluony zachowują się niemal jak cząstki swobodne i ich opis może być dość precyzyjny. Sytuacja radykalnie się zmienia, gdy zderzenia zachodzą przy bardzo wysokich energiach i kąty rozpraszania są małe. Trzeba wtedy uwzględnić w opisie również oddziaływania na odległościach, przy których siły kolorowe stają się znaczące, a gluony zaczynają coraz chętniej oddziaływać między sobą w skomplikowany sposób. Współczesna fizyka wciąż nie dysponuje zadowalającymi modelami teoretycznymi takich przypadków.

Drugi z wymienionych reżimów chromodynamiki kwantowej jest głównym obszarem zainteresowania dr. Beufa. W tym przypadku zderzenia pojedynczego protonu z jądrem można interpretować jako skutek wielokrotnego wzajemnego rozpraszania składników protonu i jądra, głównie „kotłujących się” w nich gluonów. Hipoteza formułowana przez badaczy zajmujących się tymi procesami głosi, że jądro „widziane” przez nadlatujący proton ma postać szczególnego, bardzo gęstego stanu materii: kondensatu kolorowego szkła.

Zgodnie z hipotezą, za „powstanie” kondensatu kolorowego szkła powinno być odpowiedzialne zjawisko wzrostu gęstości gluonów w zderzających się cząstkach. Wzrost ten wynika z kilku czynników, między innymi z efektów relatywistycznych. Duże energie zderzeń oznaczają bowiem, że z punktu widzenia protonu jądro będzie nadlatywało z prędkościami coraz bliższymi prędkości światła. Zgodnie z teorią względności, rozmiary jądra wzdłuż kierunku ruchu będą wtedy malały. Jądro zacznie przypominać coraz cieńszy placek. Zderzający się proton widzi więc kwarki i gluony we wnętrzu nadlatującego z predkością światła jądra jako obiekty nakładające się na siebie. Dodatkowo widzi je jako silnie wzajemnie oddziałujące, co prowadzi przede wszystkim do powstawania nowych gluonów.

„Gdy zwiększamy energię zderzeń, początkowo efektywna gęstość gluonów w jądrze wzrasta wykładniczo, ale trwa to tylko do pewnego momentu. Wzajemne oddziaływania między gluonami stają się w końcu tak silne, że powstrzymują dalszy wzrost gęstości. To właśnie wtedy można mówić o powstaniu kondensatu kolorowego szkła. Został on tak nazwany, ponieważ gluony są w nim rozmieszczone chaotycznie i w dostatecznie krótkich przedziałach czasowych nie przemieszczają się znacząco, a zatem zachowują się podobnie jak cząsteczki tworzące szkło”, wyjaśnia dr Beuf. Dla wysokiej cytowalności prac dr Beufa istotny jest fakt, że jego analizy dotyczące kondensatu kolorowego szkła pozwalają lepiej opisywać produkcję cząstek wtórnych w zderzeniach o dużych energiach. Prof. dr hab. Lech Szymanowski, który w NCBJ zajmuje się podobną tematyką, dodaje:

„Dotychczas nie udało się jednoznacznie potwierdzić, że hipoteza kondensatu kolorowego szkła prawidłowo opisuje procesy zderzeń hadronów przy bardzo dużych energiach. Owszem, zdobyto pewne poszlaki sugerujące, że taki stan istnienie, lecz twardych dowodów wciąż brak. Prace dr. Beufa budzą dziś tak duże zainteresowanie, ponieważ precyzja liczonych przez niego tak zwanych poprawek perturbacyjnych pozwala zawężać obszary poszukiwań tej ultragęstej formy materii, zarówno w obecnych, jak i w przyszłych akceleratorach, takich jak Electron Ion Collider”.

W najbliższych trzech latach dr Beuf zamierza kontynuować badania teorii kondensatu kolorowego szkła z uwzględnieniem kolejnych efektów składowych, co powinno pozwolić jeszcze lepiej opisać przebieg zderzeń cząstek przy wysokich energiach i poprawić przewidywania dotyczące produkcji cząstek wtórnych.

PUBLIKACJE NAUKOWE:

Massive quarks in NLO dipole factorization for DIS: Transverse photon
G. Beuf, T. Lappi, and R. Paatelainen
Phys. Rev. D 106, 034013
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevD.106.034013

Quarks at next-to-eikonal accuracy in the CGC: Forward quark-nucleus scattering
Tolga Altinoluk, Guillaume Beuf, Alina Czajka, and Arantxa Tymowska
Phys. Rev. D 104, 014019
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevD.104.014019

Color glass condensate at next-to-leading order meets HERA data
G. Beuf, H. Hänninen, T. Lappi, and H. Mäntysaari
Phys. Rev. D 102, 074028
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevD.102.074028

September 2022 data-update for "Updated science-wide author databases of standardized citation indicators 
J. P. A. Ioannidis
DOI: https://doi.org/10.17632/btchxktzyw.5

ILUSTRACJE:

Gdy zwiększa się energia zderzeń, w protonach i neutronach gwałtownie rośnie gęstość gluonów, tu przedstawionych jako sprężynki oddziałujące między kwarkami kowalencyjnymi (duże kulki), kwarkami wirtualnymi (małe kulki) i samymi sobą. Wg hipotezy, kondensat kolorowego szkła powstaje, gdy gęstość gluonów osiągnie wartość maksymalną. (Źródło: NCBJ)