Merkkejä gluonisaturaatiosta?

Miksi neutraaleja pioneita halutaan mitata? Mittaamalla törmäyksestä syntyviä hiukkasia voidaan tutkia protonien ja sitä raskaampien ytimien rakenneosia, kvarkkeja ja gluoneja. Gluonit ovat vahvan vuorovaikutuksen, ytimiä koossapitävän voiman välittäjähiukkasia. Suuri kysymys gluoneiden kohdalla on se, mitä tapahtuu, kun tarkastellaan hyvin pienen liikemäärän gluoneita atomin ytimessä.

Gluonien lukumäärän ytimessä on havaittu kasvavan mitä pienemmälle liikemäärälle mennään. Jossain vaiheessa kasvun odotetaan kuitenkin pysähtyvän: rajallisen tilan vuoksi gluonit alkavatkin sulautua toisiinsa. Tätä pistettä, jossa kasvu sulautumisen vuoksi pysähtyy, kutsutaan gluonisaturaatioksi. Saturaatiota on teoreettisesti tutkittu värilasikondensaatti-malleilla, mutta vahvistettuja kokeellisia todisteita ilmiölle ei vielä löydy.

Yksi FoCal:in päätavoitteesta on tehdä havaintoja tällä saturaatioalueella, jotta ymmärtäisimme paremmin gluonien välisiä vuorovaikutuksia ja prosesseja. Juurikin törmäyksessä syntyvien neutraalien pionien väliset korrelaatiot ovat yksi varteenotettava mittaus, joissa gluonisaturaatiosta voitaisiin nähdä viitteitä. Hankalan tästä mittauksesta tekee korrelaatioissa esiintyvä tausta, jonka poistamiseen kehitetyn metodin toimivuutta on tässä työssä tutkittu ja demonstroitu simulaatioilla. Yksi huomionarvoinen asia on se, että näillä törmäysenergioilla tausta on sen verran huomattava, että tarkka analyysi vaatii vastaavanlaisen taustanpoistomenetelmän käyttöä.

Mittauksiin vielä matkaa

FoCal ei kuitenkaan ole vielä siinä vaiheessa, että se voitaisiin asentaa keräämään dataa. Osaksi ALICE:n mittausarsenaalia FoCal pääsee vuonna 2029. Sitä ennen kalorimetrin komponenttien toiminta on testattava tarkoin. 

Vuonna 2021 aloitettiin moniosainen testimittausten sarja, joista kahden ensimmäisen tuloksia on esitetty tässä väitöskirjatyössä. Analyysi kattoi fotoneista ja elektroneista syntyvien hiukkassuihkujen energian mittaukseen käytettävien silikonisensorien toiminnan tutkimisen.

Tämä väitöskirjatyö on osa Fysiikan tutkimuslaitoksen (Helsinki Institute of Physics, HIP) ALICE-projektia sekä Jyväskylän yliopiston Kvarkkiaineen huippututkimusyksikön kokeellista tutkimusta. Tutkimusta ovat rahoittaneet Jyväskylän yliopiston tutkijakoulu, Vilho, Yrjö ja Kalle Väisälä säätiö, HIPin ALICE-projekti ja Kvarkkiaineen huippututkimusyksikkö.

Julkaisutiedot

Väitöskirja “Simulated pi0–pi0 correlation and test beam performance of the future forward calorimeter in the ALICE experiment” on luettavissa JYX-julkaisuarkistossa: https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/86938

FM Heidi Rytkösen väitöskirjan tarkastustilaisuus pidetään perjantaina 26.5.2023, 12:00-16:00, Ylistönrinteellä, tilassa FYS1.