Kiedy snookerowa bila uderza jedna w drugą, obie odskakują od siebie w sprężysty sposób, mówimy w takim przypadku o sprężystym zderzeniu. W przypadku dwóch fotonów nigdy nie zaobserwowano sprężystego zderzenia. W nowych badaniach fizycy z polskiego PAN udowadniają, że nie tylko takie zderzenie może mieć miejsce, ale może nawet wkrótce być zaobserwowane w akceleratorze LHC.
Wnętrze LHC.
Duże w nowym oknie >>
Czy kiedy fotony zderzają się ze sobą, zachowują się jak kule bilardowe, odskakują od siebie w różnych kierunkach? Takie zachowanie między elementarnymi cząsteczkami światła nigdy nie zostało zaobserwowane, nawet w LHC, największym akceleratorze na świecie. Ale być może taką obserwację będzie można wkrótce przeprowadzić, dzięki bardzo szczegółowej analizie przebiegu wydarzeń w tego typu kolizjach, zaproponowanej przez polskich fizyków z Instytutu Fizyki Jądrowej, Polskie Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. Ich praca na ten temat właśnie ukazała się w Physical Review C.
Wstępna analiza rozpraszania sprężystego zderzenia foton-foton została przedstawiona kilka lat temu, przez badaczy z Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN). Obecnie naukowcy z Krakowa zbadali proces dużo bardziej szczegółowo. Nie tylko potwierdzili, że takie kolizje mogą mieć miejsce, zbadali także mechanizmy interakcji między fotonami, przewidywane kierunki w których większość z nich rozproszy się po zderzeniu, czy sposoby pomiaru całego zdarzenia. Badania przewidują, że przynajmniej niektóre z fotonów odchylone w wyniku zderzeń sprężystych powinny uderzyć w czujniki zainstalowane w projektach ATLAS, CMS i ALICE. Jeśli opisane zjawisko rzeczywiście występuje, a wszystko na to wskazuje, jego doświadczalna obserwacja będzie możliwa w ciągu najbliższych lat.
"Zderzenia sprężyste fotonów z fotonami wydawały się do niedawna bardzo mało prawdopodobne. Wielu fizyków uznawało rejestrację tego tupu zderzeń w LHC za niemożliwą. Tymczasem, dowiedliśmy, że kolizje takie mogą być obserwowane i to nie w zderzeniach protonów, które występują znacznie częściej", mówi profesor Antoni Szczurek z krakowskiego IFJ PAN.
LHC zderza wiązki protonów z protonami, lub wiązki jąder z jądrami. Naukowcy z IFJ PAN wcześniej wykazali, że jeśli dochodzi do sprężystych zderzeń fotonów w trakcie zderzania protonów, kolizje fotonów będą niewykrywalne, ponieważ będzie "zasłaniany" przez inny mechanizm emisji fotonów (powodowany przez gluony, cząstki przenoszące oddziaływanie silne jądrowe). Na szczęście Polacy mają inny pomysł jak przeprowadzić cały eksperyment.
Zgodnie z regułami klasycznej optyki, światło nie może mieć wpływu na działanie światła. Fotony jednak mogą oddziaływać ze sobą w procesach kwantowych. Gdy dwa fotony lecą jeden obok drugiego, w ekstremalnie krótkiej chwili nie istnieje nic co mogłoby powstrzymać powstanie pętli kwarków lub leptonów (w tym, elektronów, mionów, neutrin, cząsteczek Tau i anycząsteczek z nimi związanych). Te cząsteczki są nazywane wirtualnymi, są niemożliwe do obserwacji. Jednakże pomimo to, mogą odpowiadać za interakcję między fotonami, po czym ponownie zmieniają się w "prawdziwe" fotony. Dla zewnętrznego obserwatora cały proces będzie wyglądał jak odbicie jednego fotonu od drugiego.
Niestety energia fotonów generowanych nawet przez najmocniejsze obecnie źródła światła, może być liczona zaledwie w milionach elektronowoltów. To bardzo mała wartość, nawet jak na standardy współczesnej fizyki jądrowej czy fizyki cząstek. Przy tych energiach, prawdopodobieństwo kolizji z kwantowym oddziaływaniem foton-foton jest znikome, a strumień fotonów, niezbędnych do jego występowania musiałby być gigantyczny.
"W tej sytuacji postanowiliśmy sprawdzić czy zderzenia sprężyste fotonów (przy udziale cząsteczek wirtualnych) wystąpią w procesie zderzania ciężkich jonów ołowiu. I udało się! Duże ładunki elektryczne w jądrach mogą prowadzić do powstania fotonów. Jeśli proces generowania fotonów zachodzi w czasie zderzania jąder, foton wytworzony przez jedno jądro, ma szansę zderzyć się z tym wytorzonym przez drugie. Obliczyliśmy, że prawdopodobieństwo takiego przebiegu wydarzeń jest wprawdzie małe, ale nie zerowe. Tak więc wszystko wskazuje na to, że proces można zaobserwować", mówi doktor Mariola Klusek-Gawenda.
Co ciekawe, kolizje badane teoretycznie przez fizyków krakowskich były bardzo specyficzne, ponieważ nie analizowano bezpośrednich zderzeń jąder ze sobą jako takich, ale procesy bez bezpośredniego kontaktu pomiędzy jądrami. W tego typu zderzeniach zachodzi interakcja między polami elektromagnetycznymi dwóch jąder atomowych, które przelatują - jak na tą skalę - w stosunkowo dużej odległości między sobą. Takie kolizje nazywa się najbardziej oddalonymi.
Potencjalnie fotony mogą reagować między sobą w innym procesie - gdy kwantowo przekształcają się w wirtualne mezony lub pary kwark-antykwark. Wytworzone mezony powinny oddziaływać między sobą za pomocą silnych oddziaływań jądrowych, fundamentalnej siły wiążącej kwarki wewnątrz protonów i neutronów. Fizycy z IFJ PAN jako pierwsi zaprezentować ten mechanizm. Wydaje się jednak, że obserwacja kolizji światła przy pomocy tego efektu nie będzie możliwa: Łagodnie odbijające się na wzajem fotony po prostu przelatują przez detektory obecnie zainstalowane w LHC.
Badania zderzeń sprężystych foton-foton nie tylko pozwalają lepiej zrozumieć zasady znanej fizyki. Kwantowe procesy przenoszące oddziaływania między fotonami mogą potencjalnie występować także w cząstkach elementarnych, jest to coś czego jeszcze nie wiemy. Więc jeśli pomiary zderzeń sprężystych foton-foton wykażą inne wyniki niż te przewidziane przez krakowskich naukowców, będzie to sygnał do rozwoju całkiem nowej fizyki zajmującej się tymi zjawiskami.
Żródło: phys.org
Orginalny Artykuł: DOI: 10.1103/PhysRevC.93.044907
Wstępna analiza rozpraszania sprężystego zderzenia foton-foton została przedstawiona kilka lat temu, przez badaczy z Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN). Obecnie naukowcy z Krakowa zbadali proces dużo bardziej szczegółowo. Nie tylko potwierdzili, że takie kolizje mogą mieć miejsce, zbadali także mechanizmy interakcji między fotonami, przewidywane kierunki w których większość z nich rozproszy się po zderzeniu, czy sposoby pomiaru całego zdarzenia. Badania przewidują, że przynajmniej niektóre z fotonów odchylone w wyniku zderzeń sprężystych powinny uderzyć w czujniki zainstalowane w projektach ATLAS, CMS i ALICE. Jeśli opisane zjawisko rzeczywiście występuje, a wszystko na to wskazuje, jego doświadczalna obserwacja będzie możliwa w ciągu najbliższych lat.
"Zderzenia sprężyste fotonów z fotonami wydawały się do niedawna bardzo mało prawdopodobne. Wielu fizyków uznawało rejestrację tego tupu zderzeń w LHC za niemożliwą. Tymczasem, dowiedliśmy, że kolizje takie mogą być obserwowane i to nie w zderzeniach protonów, które występują znacznie częściej", mówi profesor Antoni Szczurek z krakowskiego IFJ PAN.
LHC zderza wiązki protonów z protonami, lub wiązki jąder z jądrami. Naukowcy z IFJ PAN wcześniej wykazali, że jeśli dochodzi do sprężystych zderzeń fotonów w trakcie zderzania protonów, kolizje fotonów będą niewykrywalne, ponieważ będzie "zasłaniany" przez inny mechanizm emisji fotonów (powodowany przez gluony, cząstki przenoszące oddziaływanie silne jądrowe). Na szczęście Polacy mają inny pomysł jak przeprowadzić cały eksperyment.
Bardzo oddalone zderzenie jąder ołowiu w akceleratorze LHC może doprowadzić do sprężystych zderzeń foton-foton. Wykonie IFJ PAN.
Duże w nowym oknie >>
Zgodnie z regułami klasycznej optyki, światło nie może mieć wpływu na działanie światła. Fotony jednak mogą oddziaływać ze sobą w procesach kwantowych. Gdy dwa fotony lecą jeden obok drugiego, w ekstremalnie krótkiej chwili nie istnieje nic co mogłoby powstrzymać powstanie pętli kwarków lub leptonów (w tym, elektronów, mionów, neutrin, cząsteczek Tau i anycząsteczek z nimi związanych). Te cząsteczki są nazywane wirtualnymi, są niemożliwe do obserwacji. Jednakże pomimo to, mogą odpowiadać za interakcję między fotonami, po czym ponownie zmieniają się w "prawdziwe" fotony. Dla zewnętrznego obserwatora cały proces będzie wyglądał jak odbicie jednego fotonu od drugiego.
Niestety energia fotonów generowanych nawet przez najmocniejsze obecnie źródła światła, może być liczona zaledwie w milionach elektronowoltów. To bardzo mała wartość, nawet jak na standardy współczesnej fizyki jądrowej czy fizyki cząstek. Przy tych energiach, prawdopodobieństwo kolizji z kwantowym oddziaływaniem foton-foton jest znikome, a strumień fotonów, niezbędnych do jego występowania musiałby być gigantyczny.
"W tej sytuacji postanowiliśmy sprawdzić czy zderzenia sprężyste fotonów (przy udziale cząsteczek wirtualnych) wystąpią w procesie zderzania ciężkich jonów ołowiu. I udało się! Duże ładunki elektryczne w jądrach mogą prowadzić do powstania fotonów. Jeśli proces generowania fotonów zachodzi w czasie zderzania jąder, foton wytworzony przez jedno jądro, ma szansę zderzyć się z tym wytorzonym przez drugie. Obliczyliśmy, że prawdopodobieństwo takiego przebiegu wydarzeń jest wprawdzie małe, ale nie zerowe. Tak więc wszystko wskazuje na to, że proces można zaobserwować", mówi doktor Mariola Klusek-Gawenda.
Co ciekawe, kolizje badane teoretycznie przez fizyków krakowskich były bardzo specyficzne, ponieważ nie analizowano bezpośrednich zderzeń jąder ze sobą jako takich, ale procesy bez bezpośredniego kontaktu pomiędzy jądrami. W tego typu zderzeniach zachodzi interakcja między polami elektromagnetycznymi dwóch jąder atomowych, które przelatują - jak na tą skalę - w stosunkowo dużej odległości między sobą. Takie kolizje nazywa się najbardziej oddalonymi.
Potencjalnie fotony mogą reagować między sobą w innym procesie - gdy kwantowo przekształcają się w wirtualne mezony lub pary kwark-antykwark. Wytworzone mezony powinny oddziaływać między sobą za pomocą silnych oddziaływań jądrowych, fundamentalnej siły wiążącej kwarki wewnątrz protonów i neutronów. Fizycy z IFJ PAN jako pierwsi zaprezentować ten mechanizm. Wydaje się jednak, że obserwacja kolizji światła przy pomocy tego efektu nie będzie możliwa: Łagodnie odbijające się na wzajem fotony po prostu przelatują przez detektory obecnie zainstalowane w LHC.
Badania zderzeń sprężystych foton-foton nie tylko pozwalają lepiej zrozumieć zasady znanej fizyki. Kwantowe procesy przenoszące oddziaływania między fotonami mogą potencjalnie występować także w cząstkach elementarnych, jest to coś czego jeszcze nie wiemy. Więc jeśli pomiary zderzeń sprężystych foton-foton wykażą inne wyniki niż te przewidziane przez krakowskich naukowców, będzie to sygnał do rozwoju całkiem nowej fizyki zajmującej się tymi zjawiskami.
Żródło: phys.org
Orginalny Artykuł: DOI: 10.1103/PhysRevC.93.044907
Mariola Kłusek-Gawenda et al, Light-by-light scattering in ultraperipheral Pb-Pb
collisions at energies available at the CERN Large Hadron Collider, Physical Review C (2016).
collisions at energies available at the CERN Large Hadron Collider, Physical Review C (2016).
Tak naprawdę można powiedzieć, że korzysta się z wielu różnych rozwiązań, aby we właściwy sposób korzystać z nauki. Dużą popularnością, jeśli chodzi o energię elektryczną w naszym domu, cieszy się fotowoltaika pomorskie . Coraz więcej osób stawia na takie instalacje.
OdpowiedzUsuń