Eksperyment ALICE w CERN Wyjaśnia Formowanie się Lekkich Jąder w Zderzeniach Cząstek

Naukowcy zaangażowani w eksperyment ALICE przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN ogłosili fundamentalny postęp w zrozumieniu mechanizmów powstawania lekkich jąder atomowych. Odkrycie, kierowane przez badaczy z Uniwersytetu Technicznego w Monachium (TUM), precyzyjnie określa, w jaki sposób deuterony i antydeuterony przetrwały w ekstremalnie wysokich temperaturach generowanych podczas kolizji cząstek. Wyniki tych badań, opublikowane w czasopiśmie Nature w grudniu 2025 roku, rozwiązują wieloletnią zagadkę fizyki cząstek elementarnych.

W zderzeniach proton-proton w LHC osiągane są temperatury stukrotnie wyższe niż te panujące w jądrze Słońca, a mimo to delikatne jądra, takie jak deuteron złożony z jednego protonu i jednego neutronu, pozostają nienaruszone. Analiza przeprowadzona przez kolaborację ALICE, w której wiodącą rolę odegrała grupa prof. Laury Fabbietti z TUM, wykazała, że niezbędne protony i neutrony nie są obecne w pierwotnej, najgorętszej fazie kolizji. Zamiast tego, składniki te wyłaniają się z rozpadu nietrwałych stanów cząstkowych o wysokiej energii, znanych jako rezonanse, takich jak rezonans $\Delta(1232)$.

Te nowo powstałe nukleony łączą się następnie w procesie fuzji w stanie końcowym, gdy system kolizyjny ulega ochłodzeniu. Pomiary z detektora ALICE, który śledzi do 2000 cząstek na kolizję, wskazują, że około 90 procent zaobserwowanych (anty)deuteronów powstaje właśnie poprzez tę ścieżkę rozpadu rezonansów. Prof. Laura Fabbietti podkreśliła, że pomiary te potwierdzają, iż lekkie jądra formują się w warunkach „nieco chłodniejszych i spokojniejszych”, a nie w początkowej, gorącej fazie zderzenia. To osiągnięcie poszerza rozumienie oddziaływania silnego, fundamentalnej siły wiążącej nukleony w jądrze atomowym.

Badania te, w których wkład miały również polskie zespoły z Krakowa i Warszawy finansujące części detektora ALICE w 1997 roku, są kluczowe dla modelowania wczesnego Wszechświata. Dr Maximilian Mahlein, badacz z Katedry Materii Hadronowej Gęstej i Dziwnej na TUM, zaznaczył, że odkrycie to ma szersze implikacje dla astrofizyki, zwłaszcza w kontekście interpretacji danych z promieniowania kosmicznego. Udoskonalone modele, bazujące na tych wynikach, mogą dostarczyć nowych informacji na temat natury ciemnej materii, ponieważ lekkie jądra powstają również w kosmosie w wyniku interakcji promieniowania kosmicznego z ośrodkiem międzygwiezdnym.

Kontekst instytucjonalny wzmacnia znaczenie tego postępu. W maju 2025 roku zatwierdzono drugą fazę finansowania dla Klastra Doskonałości ORIGINS, wspólnie proponowanego przez TUM i Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) w ramach Strategii Doskonałości niemieckich władz federalnych i krajowych. Ponadto, prof. Laura Fabbietti oraz prof. Lukas Heinrich, członkowie ORIGINS, zostali uhonorowani Przełomową Nagrodą w Dziedzinie Fizyki Podstawowej w kwietniu 2025 roku za ich pracę zespołową, przy czym nagroda ta w 2025 roku trafiła do 13 508 badaczy z ponad 70 krajów, reprezentujących kolaboracje LHC. Nowa faza finansowania ORIGINS, rozpoczynająca się 1 stycznia 2026 roku, umożliwi pogłębienie badań nad fundamentalnymi pytaniami, w tym nad poszukiwaniem warunków dla życia pozaziemskiego i lepszym zrozumieniem ciemnej materii.