Maggiore è l'energia di collisione delle particelle, più interessante è la fisica. Gli scienziati dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze di Cracovia hanno trovato un'ulteriore conferma di questa ipotesi, questa volta, nella collisione ad alta energia di protoni con protoni o nuclei di piombo.

Quando un protone si scontra ad alta energia con un altro protone o nucleo atomico, l'effetto della collisione è un flusso di particelle secondarie noto come getto. Alcuni di questi getti si estendono lateralmente, ma ce ne sono alcuni che si attengono ad una direzione di moto vicina a quella primaria. I dettagli della rotta di collisione sono determinati non solo dal tipo di particelle in collisione, ma anche da molti altri fattori, in particolare, la quantità di energia. In Lettere di fisica B , un gruppo di quattro scienziati dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia ha dimostrato che è necessario prendere in considerazione ulteriori fenomeni alle massime energie ottenute nell'acceleratore LHC per produrre una descrizione accurata del corso della collisione di protoni con protoni o nuclei di piombo.

L'esperimento ATLAS all'acceleratore LHC (CERN, Ginevra) registra da anni le collisioni di due fasci di protoni o di un fascio di protoni con un fascio di nuclei di piombo che viaggiano in direzioni opposte. I ricercatori con sede a Cracovia hanno esaminato più da vicino gli ultimi dati relativi alle collisioni ad alta energia che raggiungono cinque teraelettronvolt (cioè, migliaia di miliardi di eV). Particolare attenzione è stata prestata a quei casi in cui i getti in partenza dal punto di collisione si sono mossi in avanti, cioè., lungo la direzione originaria delle travi.

"Né i protoni né i neutroni che si trovano nei nuclei atomici sono particelle elementari. Di solito, si dice che consistono di tre quark, ma questa è un'enorme semplificazione. Infatti, ogni protone o neutrone è un'entità estremamente dinamica riempita da un mare di gluoni in costante ebollizione, cioè., le particelle che incollano i quark insieme. C'è un fatto interessante connesso a questo dinamismo:a seconda del comportamento delle sue particelle componenti, cioè., partoni, il protone può essere a volte più denso oa volte meno. E questo spiega perché troviamo così interessanti i casi di collisioni con getti diretti in avanti. Si riferiscono a situazioni in cui un protone è diluito, o si comporta come un proiettile, e l'altro è denso, o si comporta come un bersaglio, " spiega il dottor Krzysztof Kutak (IFJ PAN).

Nel loro modello di collisioni di protoni ad alta energia, i fisici dell'IFJ PAN hanno preso in considerazione due fenomeni precedentemente noti. Il primo è legato al fatto che all'aumentare dell'energia di collisione, il numero di gluoni formati all'interno dei protoni aumenta, pure. Si scopre che questo processo non continua indefinitamente. Ad un certo punto, quando l'energia di collisione è abbastanza grande, ci sono così tanti gluoni che iniziano a ricombinarsi tra loro. Si crea quindi un equilibrio dinamico tra il processo di produzione dei gluoni e la loro ricombinazione. Questo effetto è chiamato saturazione.

Il secondo fattore preso in considerazione dai fisici di Cracovia era l'effetto Sudakov. Ciò si riferisce a situazioni in cui il momento della differenza dei momenti dei getti generati è maggiore del momento dei partoni che iniziano la produzione del getto. Questo risultato apparentemente contraddittorio è in realtà il risultato di effetti quantistici associati al trasferimento di quantità di moto tra i partoni coinvolti nella collisione. Di conseguenza, la probabilità di produrre getti back-to-back è ridotta e la probabilità di produzione di getti ad angelo azimutale moderato è aumentata.

"Sia la saturazione che l'effetto Sudakov sono noti da tempo. Tuttavia, la loro interazione non è stata affrontata. Le condizioni estreme che si creano nella produzione dei di-jet forward-forward ci hanno motivato a tenere conto di entrambi gli effetti, " afferma il Dr. Andreas van Hameren (IFJ PAN). "L'effetto Sudakov veniva solitamente preso in considerazione nelle simulazioni. Tuttavia, una volta che l'energia è abbastanza alta, gli effetti non lineari si accendono, e bisogna tener conto della saturazione, " afferma il dott. Piotr Kotko (IFJ PAN, AGH).

Questa affermazione è integrata dal Dr. Sebastian Sapeta (IFJ PAN):"Noi stessi abbiamo preso in considerazione l'effetto Sudakov in uno dei nostri primi documenti, ma solo nei casi in cui alcuni getti correvano in direzione "avanti" e alcuni rimanevano nell'area centrale del rivelatore, cioè., diffuso con un ampio angolo rispetto alla direzione del raggio. Nel descrivere tali eventi, potremmo omettere la saturazione."

Nella loro ultima pubblicazione, il gruppo con sede a Cracovia ha dimostrato che per concordare la descrizione teorica con i dati sperimentali, le collisioni ad alte energie richiedono che entrambi questi fenomeni siano presi in considerazione contemporaneamente. Questo articolo è la prima descrizione così completa della produzione di getti in avanti in collisioni ad alta energia protone-protone e protone-nucleo (piombo). Attualmente, gli autori stanno lavorando ad un'estensione del formalismo proposto alle collisioni con la produzione di un maggior numero di getti e particelle.