Új módszerrel vizsgálják az atomok belső szerkezetét a CERN-ben
A CMS kísérlet a Nagy Hadronütköztető (LHC) kísérleteinek egyike, amely protonok és atommagok nagyenergiás ütközéseit vizsgálja. A nagyenergiás nehézion ütközésekben az atommagok erős elektromágneses teret hoznak létre maguk körül, ami lehetővé teszi, hogy olyan ütközések nyomaira bukkanjunk, amikor a két atommag klasszikus értelemben csak elhaladna egymás mellett, mert a köztük levő távolság nagyobb, mint az atommag sugarának kétszerese. Az ilyen ütközéseket nevezzük ultraperiférikusnak. A protonok (és neutronok) az egyszerű modell szerint három kvarkból épülnek fel, azonban a valóságban a három kvark mellett számos kvark-antikvark pár és gluon is jelen van, és a nukleonok energiájának jelentős hányada ezektől származik. Az ultraperiférikus ütközések lehetőséget adnak a gluonok atommagon belüli viselkedésének feltérképezésére.
A CMS kutatói olyan ultraperiférikus ólom-ólom ütközéseket vizsgáltak az eddig elért legnagyobb energián, ahol az egyik mag elektromágneses terének egy (virtuális) fotonja hatott kölcsön a másik atommaggal. A kölcsönhatás következtében a résztvevő mag darabjaira szakadt és számos részecske keletkezett, míg a másik atommag (melynek teréből a foton származott) sértetlenül haladt tovább. A mérés fontos elemét képezték az úgynevezett Nullaszögű Kaloriméterek, melyek az ütközési pont két oldalán, attól 140 méterre találhatók és úgy vannak elhelyezve, hogy az ütközés után a nyaláb irányába haladó semleges részecskéket érzékelni tudják. Ezek segítségével mérni lehet, ha egy atommag felbomlik és neutronok szakadnak le róla, ezáltal kiválaszthatók az olyan események, ahol csak az egyik atommag szakadt szét a kettő közül. Emellett a mérések során fontos követelmény volt, hogy az egyben maradt atommag haladási irányában ne legyenek nagy energiájú részecskék a nyalábhoz közeli szögtartományban. Az említett két feltétel segítségével a kutatók hatékonyan ki tudják választani az ultraperiférikus ütközéseket, mivel ezekben átlagosan jóval kevesebb részecske keletkezett, mint a centrális ütközésekben (ahol a két atommag közvetlenül egymásnak ütközött).
A mostani, legújabb eredmények a D0 mezon keletkezési hatáskeresztmetszetének méréséről születtek ultraperiférikus ólom-ólom ütközésekben. A D0 mezonok olyan részecskék, melyek egy bájos (c) kvarkból és egy anti-„fel” (anti u) kvarkból állnak. A D0 mezonok és antirészecskéik olyankor keletkeznek, mikor a foton és az atommag kölcsönhatása egy bájos kvark-antikvark párt hoz létre. Az analízisben személyesen részt vett Kovács Balázs Csaba az ELTE Fizikai és Csillagászati Intézetének BSc hallgatója Veres Gábor témavezetésével, akik a Massachusetts Institute of Technology (MIT) kutatóival együttműködve dolgoztak az adatok kiértékelésén, valamint a méréshez használt Nullaszögű Kaloriméterek kalibrációján és legutóbbi tesztnyalábos mérésein, részben az ELTE, részben (tanulmányutak során) az MIT és a CERN telephelyén, a CMS Kvantum-színdinamikai Kutatócsoportban (https://physics.elte.hu/cms-qcd) a Felsőoktatási Intézményi Kiválósági Program (FIKP) Asztro- és Részecskefizikai Tématerületi programján belül (https://physics.elte.hu/fikp_asztro).
Kovács Balázs Csaba, ELTE Fizikai és Csillagászati Intézetének BSc hallgatója az MIT-n
A D0 mezonoknak csak a bomlástermékei érzékelhetők a CMS detektorral, mivel a D0 mezon még a nyalábhoz közel, nagyon kis idő alatt elbomlik. A kutatók a mérés során olyan D0 mezonokat kerestek, melyek egy kaonra és egy pionra bomlottak, mivel a kaonok és pionok már detektálhatók a kaloriméterek és nyomkövető detektorok segítségével. Ehhez kaon és pion pályákból párokat képeztek az eseményekben és megvizsgálták, hogy a két részecske származhatott-e egyetlen D0 mezon bomlásából.
Az új eredmények a D0 mezonok és antirészecskéik keletkezési gyakoriságát határozzák meg ultraperiférikus ólom-ólom ütközésekben, mely a világ első kísérleti eredménye erre a folyamatra. Az eredmények azért is fontosak, mert felhasználhatók a kvarkok és gluonok atommagon belüli viselkedésének (ezek eloszlás-függvényeinek) pontosabb leírásához, a mérési módszerek további finomítása pedig tovább segítheti világunk alapvető építőköveinek, az atommagoknak a megismerését.
A nyilvánosságra hozott eredményeket a CERN kivételesen sajtóközlemény formájában is kiemelte:
https://home.cern/news/news/physics/cms-uses-photons-probe-structure-nuclei