Физики CERN обнаружили необычное поведение глюонов на субпротонных масштабах

Учёные под руководством физика Даниэля Тапиа Такаки из Канзасского университета провели исследование в рамках эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Работа сосредоточена на изучении того, как ведут себя глюоны — частицы, которые связывают кварки через сильное взаимодействие.

Почему глюоны важны для понимания материи

Хотя кварки часто описывают как фундаментальные строительные блоки материи, почти вся масса видимой вселенной — от атомов в наших телах до вещества внутри звёзд — происходит от энергии, переносимой глюонами и сильным взаимодействием, которое их связывает. Понимание того, как глюоны ведут себя внутри ядер, поэтому критично для понимания того, как сама материя приобретает свою массу и структуру.

Метод исследования: от размытого изображения к микроскопу

Исследователи использовали технику, известную как некогерентное фотоядерное производство J/ψ. Измерения проводились на данных, собранных во время Run 2 Большого адронного коллайдера, где быстро движущиеся ядра свинца проходят близко друг к другу без прямого столкновения. При таких встречах интенсивные электромагнитные поля вокруг ядер ведут себя как пучки высокоэнергетических фотонов. Когда один из этих фотонов ударяет другое ядро, он может кратковременно создать частицу J/ψ, производство которой служит чувствительным зондом подлежащей структуры глюонов.

По словам Тапиа Такаки, «наш эксперимент с некогерентным производством похож на переход от размытого изображения к высокоразрешающему микроскопу». Этот процесс позволяет увидеть, как глюоны колеблются и организуются внутри ядер. При разрешениях 0,6, 0,3 и 0,2 фемтометра ALICE последовательно исследовал всё более мелкие области внутри ядра. Наивысшее разрешение соответствует структурам размером примерно в четверть протона. Для наглядности: если бы атомное ядро увеличили до размера футбольного стадиона, наивысшее разрешение эксперимента было бы достаточно точным, чтобы различить объекты шириной всего в несколько ярдов на поле.

Неожиданное подавление производства J/ψ частиц

Исследователи измерили некогерентное производство J/ψ при энергиях фотон-ядро в диапазоне от 20 до 633 миллиардов электронвольт. Они также изучили, как процесс варьировался в зависимости от передачи импульса, которая определяет пространственный масштаб, исследуемый внутри ядра.

Результаты выявили поразительную закономерность: на самых малых пространственных масштабах, исследованных в эксперименте, скорость производства J/ψ частиц значительно подавлена со статистической значимостью около трёх стандартных отклонений. Это неожиданное подавление создаёт проблему для давно существующего объяснения, называемого ядерным затенением, которое успешно объясняло более ранние измерения.

Ядерное затенение и гluon saturation

В рамках теории ядерного затенения глюоны внутри ядра частично перекрываются и затемняют друг друга — подобно слоям облаков, блокирующих солнечный свет — что снижает вероятность определённых процессов производства частиц. Однако последние измерения показывают, что одного ядерного затенения недостаточно для объяснения наблюдаемой картины.

Вместо этого результаты согласуются с явлением, известным как насыщение глюонов, предсказанным квантовой хромодинамикой — теорией, которая описывает сильное взаимодействие. В этом режиме глюоны становятся настолько плотно упакованы, что начинают сильно взаимодействовать друг с другом, ограничивая количество, которое может существовать в данной области. Тапиа Такаки отметил, что на этих экстраординарных масштабах наблюдается свидетельство того, что глюоны начинают вести себя коллективно.

Перспективы исследований

Исследователь помог пионерить этот экспериментальный подход и внёс вклад в теоретические модели, в которых глюоны собираются в локализованные области особенно высокой плотности, иногда называемые горячими пятнами. В модели горячих пятен, зависящей от энергии, эти плотные области меняются по мере увеличения энергии столкновения. Их поведение может предоставить учёным сигнатуры ранее неисследованной физики, связанной с сильным взаимодействием.

Это данные исследования, а не медицинский или практический совет.