A CERN részecskegyorsítójában, a Nagy Hadronütköztetőben zajló CMS kísérlet keretében újabb megfigyelési módszert alkalmaznak az atommagok belső szerkezetének vizsgálatára, hogy jobb betekintést nyerjenek a világ alapvető építőköveinek működésébe. A kísérletben fotonokat használtak az atommagok megfigyelésére, és az ultraperiferikus ütközések révén gyűjtöttek adatokat az atommagokon belüli gluonokról. A projektben egy magyar résztvevő, az ELTE Fizikai és Csillagászati Intézetének hallgatója is közreműködött - Kovács Balázs Csaba a Massachusetts Institute of Technology (MIT) kutatóival együttműködésben végezte munkáját az ELTE, valamint az MIT és a CERN telephelyén, a CMS Kvantum-színdinamikai Kutatócsoportban.

A kísérlet során ultraperiférikus ütközéseket használtak az atommagok megfigyelésére, mivel az ilyen ütközések során a protonokat és neutronokat felépítő részecskék, például a "kötőanyagként" funkcionáló gluonok jobban észlelhetőek. Egy ütközést akkor nevezünk ultraperiférikusnak, ha a folyamatban résztvevő ionok foton-ion vagy foton-foton ütközések révén lépnek interakcióba egymással. Ilyenkor az atommagok lényegében elkerülik egymást, a rövid távú erős kölcsönhatás csökken, viszont az atommagok erős elektromágneses teret hoznak létre maguk körül, ami lehetővé teszi az interakciójukat. Az ELTE leírása szerint 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 cél a D0 mezonok (amelyek egy bájos kvarkot és egy fel antikvarkot tartalmaznak) és az anti részecskéik, a D0 bar mezonok létrehozása volt, amelyek akkor jönnek létre, mikor egy bájos kvarkot a fotonok "kilöknek" az atommagból. Ezek a részecskék információkat hordoznak a partonok, vagyis a hadronok összetevőinek eloszlásával kapcsolatban, ami elárulja, hogy a kvarkok és gluonok hogyan viselkednek az atommagon belül. Amikor egy foton és egy ólom-atommag ütközése során az utóbbi felbomlik, a neutronok az ólom-ion sugárral párhuzamosan haladnak, míg a protonok és az érintetlen atommagok görbe pályán haladnak tovább, és megfelelő pontokon elhelyezett mérőkészülékekbe jutnak.

A neutronok mérésében nagy szerepet játszanak a Nullaszögű Kaloriméterek, amelyek kalibrációjában és legutóbbi tesztnyalábos méréseiben Kovács Balázs Csaba is részt vett. A kalorimétereket az ütközési pont két oldalán, attól 140 méterre helyezték el, olyan módon, 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, így kiválaszthatók az olyan események, ahol csak az egyik atommag szakadt szét a kettő közül.

A mérések során fontos követelmény volt az is, 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 tudták választani az ultraperiférikus ütközéseket, mivel ezekben átlagosan jóval kevesebb részecske keletkezett, mint a centrális ütközésekben (ahol a két atommag közvetlenül egymásnak ütközött)." - magyarázza az ELTE.

A kutatók ellentétes töltésű kaon-pion párokat kerestek, mivel ezeket a bomlástermékeket tudják a detektálni a kaloriméterek, a D0 mezonokat közvetlenül nem, mert azok még sokkal hamarabb lebomlanak. A fizikusok a kaonok és pionok többféle irányvonalát meghatározva veszik számba a lehetséges kombinációkat, majd a szűrés után próbálnak a D0 mezonok keletkezési sebességére következtetni. Az ELTE szerint ez a világ első kísérleti eredménye a D0 mezonok és antirészecskéik keletkezési gyakoriságának meghatározására az ultraperiférikus ólom-ólom ütközésekben. A kísérlet jelentőségét nem csak az újfajta mérési metódus próbája adja, hanem a módszerrel elérhető jövőbeli eredmények is, amelyekkel az atommagoknak az eddigieknél is több titkát lehet majd kifürkészni.

A Nagy Hadronütköztető harmadik működési szakasza (Run 3) alatt a következő nehézion-kísérletek november 6-tól zajlanak a részecskegyorsítóban 17 napon át. A kutatók arra törekednek, hogy a tavalyi évi eredményekkel összehasonlítva naponta 30%-kal több ütközést produkáljanak, és egy évre elegendő adatot gyűjtsenek be a későbbi elemzésekhez.

(Fotó: CMS együttműködés, CERN)

Ahol a protonvonatok robognak és ütköznek - a Nagy Hadronütköztető színfalai mögé néztünk Hogyan állítják elő az LHC protonsugarait? És hogyan állítják le őket? Hogy néz ki egy óriásdetektor és miért tartanak a CERN Vezérlőközpontjában sok-sok üveg pezsgőt a kutatók? Az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet magyar résztvevőitől kaptunk válaszokat, miközben bepillantást nyertünk a távolból az ALICE és CMS kísérletek színhelyére is.