Polaryzowalność pionów: pierwszy precyzyjny pomiar w CERN z udziałem fizyków warszawskich

Międzynarodowa współpraca COMPASS (COmmon Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy, http://wwwcompass.cern.ch/), w skład której wchodzi około 250 fizyków z 33 laboratoriów na całym świecie, ogłosiła niedawno wyniki swoich badań nad polaryzowalnością pionów jakie od kilku lat prowadzi w Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek, CERN, koło Genewy. Wyniki, opublikowane w najbardziej prestiżowym czasopiśmie naukowym, The Physical Review Letters, wywołały wielkie zainteresowanie światowej społeczności fizyków a władze CERN ogłosiły specjalny komunikat prasowy. Wiele gazet europejskich zamieściło informacje poświęcone temu wydarzeniu. Mimo licznych prób, nie udało się bowiem dotąd wykonać dokładnego pomiaru polaryzowalności pionów, którego nie obciążałyby wielkie niepewności systematyczne.

Polaryzowalność, znana dobrze w odniesieniu do dielektryków, określa zdolność rozkładu ładunków w obiekcie do odkształcania się pod wpływem zewnętrznego pola elektromagnetycznego. Piony (czyli mezony pi) składają się z naładowanego kwarku i antykwarku a ich polaryzowalność jest wynikiem oddziaływania silnego i podlega tym samym ścisłym przewidywaniom chromodynamiki kwantowej. Ta ostatnia to jedna ze składowych teorii Modelu Standardowego opisującego budowę materii, ostatnio wszechstronnie testowanego w doświadczeniach fizyki wysokich energii. Warto zwrócić uwagę na fakt, iż prawie cała materia naszego "codziennego" świata pochodzi z energii jej wiązania przez oddziaływania silne.

Najprostszy sposób pomiaru polaryzowalności cząstki mikroświata to komptonowskie rozproszenie na niej fotonu. Jednakże, przeciwnie np. do atomów czy nukleonów, piony nie są trwałe i nie można przygotować z nich tarczy, potrzebnej w doświadczeniu rozproszeniowym. W doświadczeniu wykonanym przez COMPASS zastosowano więc inną metodę, opartą o tzw. mechanizm Primakoff'a, w którym naładowane piony rozpraszają się na jądrach atomowych, będących zródłem bardzo silnego pola elektrycznego. W polu tym piony doznają deformacji i zmieniają tor swojego lotu, emitując przy tym fotony. Pomiar energii tych fotonów i odchylenia toru pionów daje jednoznaczną informację o szukanej polaryzowalności tych ostatnich.

Doświadczenia tego typu wykonywano już od wczesnych lat osiemdziesiątych ubiegłego stulecia, niestety bez znaczących wyników. Rezultaty współpracy COMPASS, oparte o ogromną statystykę zdarzeń i poddane wyrafinowanej analizie obciążeń systematycznych potwierdzają przewidywania chromodynamiki: pion nie poddaje się łatwo deformacjom w polu elektromagnetycznym. Wynik ten uznany jest za jeden z kluczowych w doświadczalnej fizyce oddziaływań silnych ostatnich lat.

W skład współpracy COMPASS wchodzi grupa fizyków z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Narodowego Centrum Badań Jądrowych oraz z Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. Grupa ta z powodzeniem i od lat realizuje program badawczy COMPASS-a, obejmujący też wiele innych aspektów struktury materii, m.in. rolę odgrywaną przez spin, por. http://www.fuw.edu.pl/informacja-prasowa/news2492.html.

Tekst oryginalnej publikacji można znalezć w http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.062002, a komunikat prasowy CERN w http://press.web.cern.ch/press-releases/2015/02/cern-experiment-brings-precision-cornerstone-particle-physics.