Kwarki b w Wielkim Zderzaczu Hadronów

Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w ośrodku CERN raz do roku przechodzi od zderzania protonów do zderzania jąder atomów ołowiu w celu odtworzenia materii w takiej postaci, w jakiej zaistniała przy narodzinach wszechświata. Kwarki nie były wówczas połączone gluonami w protony i neutrony. Zamiast tego cząstki elementarne przemieszczały się swobodnie w czymś, co fizycy określają mianem plazmy kwarkowo–gluonowej.

Finansowany przez UE projekt "Particle flow in heavy-ion collisions with CMS" (PF4CMSHI) poświęcono badaniu tego rodzaju zderzeń ciężkich jonów przy użyciu eksperymentu z detektorem CMS (Compact Muon Solenoid). Ten wielocelowy eksperyment przy wbudowanym LHC ma możliwość wykrywania strumieni kwarków odrzucanych z punktu zderzenia. W ramach projektu po raz pierwszy zaobserwowano strumienie pochodzące od kwarków b.

Zespół projektu PF4CMSHI zdołał dostrzec te strumienie dzięki starannej rekonstrukcji trajektorii hadronów. Zaadaptowano algorytmy śledzenia CMS, by wykorzystać je w zderzeniach ciężkich jonów i ekstrapolowano wszystkie trajektorie hadronów z powrotem w kierunku punktu zderzenia. Hadrony w strumieniach zainicjowanych produkcją kwarków b wzięły początek znacznie dalej, gdzie nastąpił rozkład kwarków b.

Pomiary okazały się wystarczająco dokładne, by jednocześnie zademonstrować, że rozkład strumieni z kwarków b następuje w wyniku interakcji z gorącą gęstą plazmą wokół punktu zderzenia. Naukowcy ujawnili zależność tego zjawiska (znanego jako wygaszanie strumieni, z ang. jet quenching) od zapachu rozkładających się kwarków, zgodnie z wcześniejszymi przewidywaniami na podstawie modeli teoretycznych.

To odkrycie cechuje przełomowy krok w nieznane. Jednak pełny potencjał eksperymentu CMS w zakresie sondowania plazmy kwarkowo–gluonowej poprzez zderzenia ciężkich jonów nie został jeszcze wykorzystany. Projekt PF4CMSHI umocnił pozycję Europy w grupie badaczy ciężkich jonów z użyciem detektora CMS. Ta względnie niewielka grupa, która składa się zaledwie z 100 fizyków, głównie ze Stanów Zjednoczonych, otwiera nowe możliwości w dziedzinie badań z użyciem LHC.