Το πείραμα TOTEM δείχνει την ύπαρξη του Odderon

Posted on 10/02/2018

0


… μιας κατάστασης περιττού αριθμού γλοιονίων που προτάθηκε θεωρητικά την δεκαετία του 1970

Από τις συγκρούσεις των πρωτονίων LHC παράγονται νέα σωματίδια. Πολλές φορές όμως αντί να «σπάσουν σε κομμάτια», συγκρούονται ελαστικά αλλάζοντας μόνο την κατεύθυνσή τους, σε πολύ μικρές γωνίες σε σχέση με την διεύθυνση της αρχικής δέσμης –η  απόκλισή τους σε απόσταση 200 μέτρων είναι της τάξης του ενός χιλιοστού. Το πείραμα ΤΟΤΕΜ (TΟΤal, Εlastic and diffractive cross-section Μeasurement) μελετά αυτού του είδους την αλληλεπίδραση που ονομάζεται ελαστική σκέδαση.

Σε ένα τυπικό πείραμα του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), οι φυσικοί αναγκάζουν τα πρωτόνια να συγκρουστούν μεταξύ τους με την ελπίδα να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους, έτσι ώστε να δημιουργηθούν νέα σωματίδια τα οποία θα εντοπίσουν οι τεράστιοι ανιχνευτές. Όμως υπάρχουν και πειράματα που μελετούν τι συμβαίνει όταν τα πρωτόνια δεν «σπάνε», αλλά αλληλεπιδρούν μεταξύ τους αλλάζοντας απλώς κατεύθυνση. Αυτή η αλληλεπίδραση ονομάζεται ελαστική σκέδαση.

Στην δεκαετία του 1960 οι φυσικοί χρησιμοποίησαν την θεωρία Regge για να κατανοήσουν τις ελαστικές αλληλεπιδράσεις των πρωτονίων. Η θεωρία Regge παρουσίασε μερικές νέες ιδέες: ένα φαινόμενο που ονομάστηκε Pomeron (από το όνομα του φυσικού Isaak Pomeranchuk) και ένα άλλο που ονομάστηκε Odderon ( διότι συνίσταται από έναν περιττό αριθμό γλοιονίων). Το Pomeron είχε σκοπό να εξηγήσει γιατί τα εκτρεπόμενα πρωτόνια είναι πιο πιθανό να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους σε υψηλότερες ενέργειες. Οι φυσικοί ερμήνευσαν με επιτυχία την ελαστική σκέδαση σε υψηλές ενέργειες και μικρή μεταφορά ορμής, με την ανταλλαγή ενός Pomeron, το οποίο στην σύγχρονη γλώσσα είναι μια κατάσταση δυο συσσωματωμένων γλοιονίων. Το Odderon, που μελετήθηκε θεωρητικά στις αρχές της δεκαετίας του 1970, βοήθησε στην ερμηνεία της διαφοράς μεταξύ σκέδασης πρωτονίων-πρωτονίων και αντιπρωτονίων-πρωτονίων.

Σήμερα οι φυσικοί εξακολουθούν να χρησιμοποιούν την θεωρία Regge για να εξηγήσουν τις ελαστικές κρούσεις των πρωτονίων, σε συνδυασμό με την Κβαντική Χρωμοδυναμική (QCD). Η QCD περιγράφει πως τα κουάρκ, τα σωματίδια που αποτελούν τα πρωτόνια, αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Τα κουάρκ αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με ένα σωματίδιο που ονομάζεται γλοιόνιο (ονομάζεται έτσι διότι «κολλάει» μεταξύ τους τα κουάρκ). Τα κουάρκ και τα γλοιόνια χαρακτηρίζονται από έναν επιπλέον κβαντικό αριθμό, το χρωματικό φορτίο, παρόμοιο με το ηλεκτρικό φορτίο, με τη διαφορά ότι υπαρχουν έξι επιλογές – κόκκινο, μπλε, πράσινο, αντικόκκινο, αντιμπλέ, αντιπράσινο – και όχι μόνο δυο επιλογές θετικό ή αρνητικό.

Οι φυσικοί είχαν βρει πειραματικές αποδείξεις για το Pomeron, όχι όμως και για το Odderon. H QCD περιγράφει το Pomeron ως πρωτόνια που καθώς αλληλεπιδρούν ελαστικά,, ανταλλάσσουν έναν άρτιο αριθμό γλοιονίων των οποίων το συνολικό χρωματικό φορτίο είναι ίσο με μηδέν, ενώ περιγράφει το Odderon ως μια ανταλλαγή περιττού αριθμού γλοιονίων (τουλάχιστον τρία), πάλι κατά την ελαστική σκέδαση μεταξύ πρωτονίων. Κανείς όμως μέχρι σήμερα δεν είχε ανιχνεύσει το Odderon.

Το πείραμα ΤΟΤΕΜ μέτρησε με ακρίβεια τη διαδικασία της ελαστικής σκέδασης σε ενέργεια 13 TeV, έτσι ώστε να εξαχθεί η ολική πιθανότητα για τις συγκρούσεις πρωτονίων – πρωτονίων, καθώς επίσης και η παράμετρος ρ η οποία βοηθά στην ερμηνεία της διαφοράς μεταξύ σκέδασης πρωτονίων-πρωτονίων και αντιπρωτονίων-πρωτονίων.
Οι μετρήσεις του ΤΟΤΕΜ σχετικά με την παράμετρο ρ δείχνουν (έμμεσα) ότι το Odderon υπάρχει. Μπορεί να μην υπάρχουν άμεσες αποδείξεις, αλλά οι ενδείξεις αυτές είναι πολύ σημαντικές διότι συνεπάγονται την ύπαρξη των glueballs.

Tα glueballs είναι σωματίδια που αποτελούνται μόνο από γλοιόνια και είναι πολύ δύσκολο να μετρηθούν. Όμως, προβλέπονται από το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων. Tα glueballs μοιάζουν με τα odderons, με την διαφορά ότι τα τελευταία εμφανίζονται μόνο όταν δυο πρωτόνια υφίστανται ελαστική σκέδαση.

Ένα γλοιόνιουμ ή glueball (δεξιά) συνίσταται μόνο από γλοιόνια

Σύμφωνα με τον φυσικό Simone Giani, «οι μετρήσεις του ΤΟΤΕΜ διερευνούν για πρώτη φορά την συμπεριφορά των πρωτονίων στις ελαστικές αλληλεπιδράσεις στην υψηλότερη ενέργεια των 13 TeV. Τα δεδομένα αυτά είναι εξαιρετικά ακριβή, κάτι που έγινε χάρη στην πολύ καλή απόδοση των ανιχνευτών του ΤΟΤΕΜ και τις άριστες δυνατότητες του LHC».

Η ιδέα του Odderon είναι πολύ παλιά και πάντα φαινόταν πολύ δύσκολο να ανιχνευθεί πειραματικά. Αν τρία γλοιόνια μπορούν πράγματι να σχηματίσουν ένα σύστημα, θα μπορούσαν να εμφανίζονται και σε άλλα πειράματα σκέδασης. Οι φυσικοί λοιπόν σχεδιάζουν εξειδικευμένα πειράματα για να επιβεβαιώσουν ότι το Odderon μπορεί πράγματι να σχηματιστεί. Μέσα στο 2018 προγραμματίζεται πείραμα στον LHC με ενέργεια πρωτονίων 900 GeV για την συλλογή περισσότερων δεδομένων.

πηγές: https://home.cern/about/updates/2018/02/odd-gluon-compounds-may-be-lurking-protons – https://gizmodo.com/physicists-spot-evidence-of-odderon-first-predicted-in-1822671164