Високоенергетски судари протона могу се замислити као узбуркано море кваркова и глуона, укључујући краткоживе виртуелне честице. На први поглед, ово екстремно окружење изгледа далеко сложеније него у каснијој фази, када све мање и стабилнијих честица лети из тачке судара. Могло би се очекивати да се честице у овој раној фази понашају веома различито. Али подаци са Великог хадронског сударача (ЛХЦ) показују да је ова интуиција погрешна. Резултати се боље објашњавају рафинираним моделом који биљежи како се судари протона заиста одвијају.
Када се два протона сударе при веома високим енергијама, огромна количина се дешава у тренутку. Протони су хадрони, што значи да су направљени од партона, који укључују кваркове и глуоне који их држе заједно. Током судара, ови кваркови и глуони, укључујући виртуелне који се појављују само накратко, комуницирају на компликоване начине. Како се систем хлади, кваркови се комбинују и формирају нове хадроне који се расипају напоље и откривају се експериментима. На основу ове слике, чини се разумним претпоставити да би поремећај система, познат као ентропија, требало да се промени између ране партонске фазе и касније фазе хадрона. Партон фаза изгледа посебно хаотично, са много честица које интерагују одједном.
Ново истраживање ентропије у сударима протона
Најновија сазнања о овом питању објављени су у Пхисицал Ревиев Д проф. Крзисзтоф Кутак и др Сандор Локос са Института за нуклеарну физику Пољске академије наука (ИФЈ ПАН) у Кракову. Њихов рад се фокусира на поређење ентропије у раној фази глуона кварка са ентропијом честица које су на крају произведене и измерене.
„У физици високих енергија, такозвани диполни модели су већ неко време коришћени за описивање еволуције густих глуонских система. Ови модели претпостављају да сваки глуон може бити представљен паром кварк-антикварк који формира дипол од две боје – овде не говоримо о обичним бојама, већ о наелектрисању боје које је засновано на својству броја глуона дипола на основу просечног броја глуона дипола. произведених у судару омогућавају нам да проценимо ентропију партона“, објашњава проф. Кутак, који је проучавао ентропију кварк глуонских система више од десет година.
Побољшање диполних модела са новим идејама
Пре две године, проф. Кутак и др Павел Капута са Универзитета у Стокхолму представили су ажурирану верзију диполног модела. Почели су са успостављеним моделом који описује како се системи глуона развијају и третирали су га као доминантан допринос. Затим су додали додатне ефекте који постају важни при нижим енергијама судара, где се производи мање адрона. Овај напредак је био могућ јер су истраживачи идентификовали везе између једначина које се користе у диполним моделима и оних које се налазе у теорији сложености.
Да би тестирао овај генерализовани модел дипола, др Локос је предложио да се упореди са стварним експерименталним подацима из ЛХЦ-а. Укључена су мерења из експеримената АЛИЦЕ, АТЛАС, ЦМС и ЛХЦб. Заједно, ови подаци обухватају широк спектар енергија судара, од 0,2 тераелектронволта до 13 ТеВ, што је највећа енергија која се тренутно може постићи на ЛХЦ-у.
„У нашем чланку показујемо да генерализовани модел дипола описује постојеће податке прецизније од претходних модела дипола и, штавише, добро функционише у ширем опсегу енергија судара протона“, каже проф. Кутак.
Ентропија и основно правило квантне механике
Ово поставља кључно питање. Да ли се ентропија током фазе судара протона у којој доминирају кварк и глуон разликује од ентропије адрона који касније побегну из зоне судара? Према Харзејев-Левин формули за ентропију, не би требало. Нова анализа потврђује ово предвиђање. Док овај резултат изненађује неке физичаре, други га виде као природни исход једног од најосновнијих принципа квантне механике познатог као унитарност.
Унитарност може звучати апстрактно, али сама идеја је јасна. Једначине које описују како квантни систем еволуира током времена морају сачувати укупну вероватноћу, која увек даје један, и морају дозволити да се процеси обрну. Једноставно речено, унитарност значи да информације и вероватноћа не могу нестати или се појавити ни из чега.
„Унитарност квантне механике је нешто о чему студенти физике уче. Формализам квантне хромодинамике, теорија која описује свет кваркова и глуона, заснована је на унитарности. Међутим, једно је бавити се теоријом која испољава одређену особину на нивоу кваркова и кваркова и глуона које је имало доста података које су производили на дневној бази. напомиње Кутак. Он додаје да унитарност омогућава извлачење информација о ентропији партона у широком спектру енергија судара.
Шта следи за тестирање модела
Даља испитивања генерализованог диполног модела очекују се у наредним годинама. Након планиране надоградње ЛХЦ-а, побољшани АЛИЦЕ детектор ће моћи да проучава регионе у којима су интеракције глуона још гушће од оних које су до сада испитиване. Додатни увиди се такође очекују од Електронско-јонског сударача (ЕИЦ), који је сада у изградњи у Националној лабораторији Брукхејвен у САД. На ЕИЦ-у, електрони ће се сударати са протонима. Пошто су електрони елементарне честице, ови експерименти ће понудити јаснији начин за испитивање густих глуонских система унутар појединачних протона.
