Struny gluonowe

Fizycy z uniwersytetów Case Western, Stanforda, Stony Brook i UW zaproponowali model teoretyczny, który sugeruje możliwość doświadczalnego sprawdzenia, czy we wnętrzu fotonu znajdują się liniowe struktury w postaci struny gluonów łączących kwark z antykwarkiem [1]. Źródłami fotonów mogą być dowolne, wysokoenergetyczne cząstki naładowane, np. protony w LHC, schematycznie przedstawione na rysunku obok. Emitując foton, proton skręca do detektora. Foton zawiera w sobie parę kwark-antykwark, a między kwarkiem i antykwarkiem rozciąga się struna złożona z gluonów, podobnie jak łańcuch składa się z ogniw. Okazuje się, że orientacja struny w fotonie jest skorelowana z kierunkiem, w jakim porusza się proton po emisji fotonu. Kiedy dwa protony lecą naprzeciw siebie jak w LHC i oba emitują fotony gdy skręcają, to struny gluonów z tych fotonów mogą się zderzać jak "gorące parówki". Zderzenie takich parówek widziane wzdłuż wiązki wygląda mniej więcej jak na rysunku poniżej.

Gdy struny zderzą się bokami, to może powstać wiele cząstek bo zderzy się wiele gluonów. Gdy struny zderzą się pod kątem, może powstać mniej cząstek. Zatem liczba cząstek wyprodukowanych w zderzeniu strun powinna zależeć od kąta między strunami, a ponieważ kierunek struny w fotonie jest skorelowany z kierunkiem, w jakim skręca proton emitujący ten foton, to liczba cząstek produkowanych w zderzeniu proton-proton powinna zależeć od kąta między między płaszczyznami skrętu protonów. Przykładowa zależność liczby cząstek N od tego kąta pokazana jest na wykresie.

W ten sposób badanie zależności między liczbą cząstek w stanie końcowym, rejestrowaną przez detektory, a kierunkami skrętu protonów, może nam dostarczyć informacji o strunach gluonów jako elementów wewnętrznej struktury fotonów. Na wykresie pokazana jest również zależność pewnego parametru rozkładu produkowanych cząstek w przestrzeni wokół miejsca zderzenia od tego samego kąta. Parametr ten mówi w jakim stopniu rozkład cząstek końcowych zależy od kątów i wiąże się z cosinusem podwojonego kąta między kierunkami ich lotu. Z tego powodu parametr ten oznacza się symbolem v z indeksem 2 i nazywa pływem eliptycznym. Przewidywane efekty wydają się niewielkie, ale jeszcze nigdy nie były zmierzone, więc gdyby ich istnienie zostało potwierdzone doświadczalnie, to mogłyby być wykorzystane do badania strun gluonów w fotonach. Byłby to nowy krok w poznawaniu struktury materii i promieniowania. Teoretycy rozważali zderzenia takich strun zachęceni już wcześniej otrzymanymi wynikami pomiarów rozkładów cząstek w zderzeniach proton-proton z udziałem polskich fizyków [2]. Pomiary te doprowadziły do odkrycia tzw. efektu grzbietu w zderzeniach proton-proton, który polega w wielkim uproszczeniu na tym, że parametr pływu eliptycznego jest niezerowy. Tego odkrycia dokonano analizując zderzenia proton-proton, w których protony zderzają się bezpośrednio, są rozbijane silnymi oddziaływaniami, i z silnych oddziaływań tych części licznie powstają obserwowane cząstki końcowe. W przypadku zderzeń protonów za pośrednictwem strun gluonowych w fotonach, prawdopodobieństwo fizycznej obserwacji teoretycznie możliwego efektu jest znacznie mniejsze, ale obserwacja nawet bardzo niewielkiego efektu dałaby impuls do rozwoju badań w tym kierunku. Struny gluonowe w fotonach prowadziłyby również do nowego typu korelacji między cząstkami produkowanymi w procesach głęboko nieelastycznych zderzeń leptonów z hadronami, jak i w zderzeniach samych leptonów.

[1] Ridge effect, azimuthal correlations, and other novel features of gluonic string collisions in high energy photon-mediated reactions, S. D. Głazek, S. J. Brodsky, A. S. Goldhaber, and R. W. Brown, Physical Review D 97, 114021 (2018).

[2] Evidence for collectivity in pp collisions at the LHC, The CMS Collaboration, Physics Letters B 765, 193 (2017).