Atunci când se ciocnesc ioni de plumb sau de aur, pe lângă interacțiuni ale cuarcilor au loc și ciocniri de fotoni. Studiul acestora poate da informații extrem de utile despre fenomenele care au loc, reprezentând inclusiv un instrument util pentru studiul proceselor care ar putea fi legate de o fizică dincolo de Modelul Standard.

Coliziuni de nuclee

În experimente efectuate la marele accelerator LHC de la CERN, Geneva, dar și la laboratorul american RHIC, se studiază procesele care au loc atunci când ioni ai elementelor chimice grele, precum aurul sau plumbul, sunt accelerați și se ciocnesc. De fapt ceea ce are loc este ciocnirea nucleelor acestor elemente chimice la energii mari, ciocnire în urma căreia parte din energia cinetică se transformă în masa unor noi particule. Vă amintiți formula lui Einstein, cea care spune că masa și energia sunt echivalente? Ei bine, este exact ceea ce se întâmplă în aceste procese și așa a fost descoperit de exemplu bosonul Higgs.

De ce se studiază aceste procese?

De ce studiem coliziunile nucleelor? Nucleele sunt alcătuite din protoni și neutroni; aceștia la rândul lor sunt alcătuiți din cuarci care sunt ținuți împreună în interiorul protonilor și al neutronilor de gluoni. Atunci când nucleele se ciocnesc la energii foarte mari, ne așteptăm să se formeze așa-numită plasmă de cuarci și gluoni – o formă a materiei în care cuarcii și gluonii nu mai sunt legați în protoni și neutroni, ci formează un fel de „supă” unde sunt amestecați împreună. Această formă a materiei este cea ce credem că a existat imediat după Big Bang – atunci când Universul avea o temperatură foarte mare și deci și energii extrem de mari ale particulelor. Deci cercetătorii care lucrează în experimente de acest gen încearcă să studieze primele clipe de viață ale Universului, pe lângă înțelegerea interacțiunii dintre cuarci și gluoni, adică forță nucleară puternică.

Interacțiuni foton-foton

Pe lângă interacțiunile cuarcilor și ale gluonilor, au loc însă și interacțiuni între fotoni. Nucleele sunt surse de câmpuri electromagnetice – și cum bine știm cuanta acestui câmp este fotonul. Nucleele sunt înconjurate de un nor de fotoni și atunci când se ciocnesc au loc inclusiv ciocniri ale fotonilor care produc muoni. Ba chiar se poate întâmpla ca nucleele să nu se ciocnească deloc, câmpul electromagnetic al acestora însă da – deci să existe ciocniri de fotoni însă nu ale cuarcilor din nuclee.

Un studiu recent al ciocnirilor de fotoni

Un studiu recent publicat într-un articol în revista Physical Review Letters arată cum ciocnirile fotonilor sunt influențate de un fenomen cuantic – adică de interferența fotonilor. Acest fenomen de interferență are un efect asupra unghiului la care sunt emiși muoni (muonii sunt un fel de electroni însă cu o masă de circa 200 de ori mai mare). Cu cât distanța între nuclee este mai mică cu atât mai mare este distorsiunea unghiului dintre muoni. Noul rezultat este important întrucât oferă un nou instrument pentru studiul ciocnirilor de ioni și, deci, fizicii acestui proces, studiu care va avea loc în următorii ani în experimente la CERN și la RHIC.

Dincolo de Modelul Standard

Cu ajutorul instrumentelor de precizie, atât din punct de vedere al experimentelor dar și al teoriei, se urmărește descoperirea unei fizici dincolo de Modelul Standard. Acest lucru este motivat atât de dorința de a explica materia și energia întunecate, cât și gravitația – acea forță care nu este la ora actuală conținută în modelul standard, întrucât nu a fost încă cuantizată. Acest studiu al interacțiunii foton-foton reprezintă o teorie bine pusă la punct care poate să ofere un ajutor extrem de util în această căutare a unei noi teorii.

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe