|
Корреляции показывают нюансы процесса рождения частиц
|
|
|
|
Столкновения ионов высоких энергий на Большом адронном коллайдере способны создать кварк-глюонную плазму. Но действительно ли для его образования необходимы тяжелые атомные ядра? И прежде всего: как потом из этой плазмы рождаются вторичные частицы? Дальнейшие подсказки в поисках ответов на эти вопросы дает последний анализ столкновений протонов с протонами или ионами, наблюдаемый в эксперименте LHCb. Когда тяжелые атомные ядра сталкиваются при самых высоких энергиях на БАКе, на невообразимо короткий момент создается кварк-глюонная плазма. Это экзотическое состояние материи, в котором кварки и глюоны, обычно захваченные протонами или нейтронами, больше не связаны тесно друг с другом. Это состояние непостоянно: при понижении температуры кварки и глюоны быстро адронизируются, т.е. повторно связываются друг с другом, образуя потоки вторичных частиц, расходящихся под разными углами. Детали процесса адронизации, явления, имеющего решающее значение для нашего понимания основ физической реальности, до сих пор остаются загадкой.
|
|
|
|
Новые подсказки дал только что завершенный анализ столкновений в эксперименте LHCb, проведенный с участием физиков Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове. Результаты опубликованы в Журнале физики высоких энергий. «Адронизация происходит во временных масштабах йоктосекунд, то есть триллионных долей одной триллионной доли секунды, на расстояниях размером в фемтометры, то есть миллионных долей одной миллиардной доли метра. Явления, происходящие так чрезвычайно быстро и в таких микроскопических масштабах, не будут непосредственно наблюдаемы для еще долго — возможно, никогда», — объясняет профессор Марцин Кухарчик (IFJ PAN), соавтор статьи. «Поэтому мы пытаемся сделать вывод о том, что происходит с кварк-глюонной плазмой, рассматривая определенные конкретные квантовые корреляции между частицами, образующимися в результате столкновений. Мы проводим такой анализ в течение многих лет, постепенно создавая более точную картину этого явления как объем обрабатываемых данных увеличивается».
|
|
|
Что такое квантовые корреляции? В квантовой механике частицы описываются с помощью волновых функций. Если в изучаемой системе много частиц, их волновые функции могут перекрываться. Как и в обычных волнах, тогда возникает интерференция. Если при этом волновые функции подавляются, то говорят о корреляциях Ферми-Дирака, если усиливаются — о корреляциях Бозе-Эйнштейна. Именно эти последние корреляции, характерные для тождественных частиц, привлекли внимание ученых. Исследователи сосредоточили свое внимание на корреляциях Бозе-Эйнштейна, возникающих между парами пионов или пи-мезонов. Анализы подобного типа уже проводились на данных других детекторов, работающих на ускорителе БАК, но они касались только частиц, расходящихся под большими углами от точки столкновения. Между тем, уникальная конструкция детектора LHCb позволила физикам впервые наблюдать частицы, вылетающие «вперед», под углами, отклоняющимися от направления исходного луча не более чем на дюжину или около того градусов. Полученные таким образом результаты дополняют картину явления, сложившуюся по измерениям в других экспериментах на БАК.
|
|
|
|
Выбор направления «вперед» был не единственной новинкой. Анализ проводился для так называемых малых систем, т.е. для протон-протонных, протон-ионных и ион-протонных столкновений (последние два случая не идентичны, поскольку в одном случае с большой скоростью движется только один протон, а в в другом случае ядро состоит из множества протонов и нейтронов). Помимо прочего, исследователи хотели выяснить, могут ли коллективные явления, наблюдаемые при ядерно-ядерных столкновениях, связанные с кварк-глюонной плазмой, проявляться и в столкновениях более мелких систем частиц. «Мы подвергли обнаруженные нами корреляции дальнейшей проверке. Например, мы проверили, как они зависят от разных переменных, таких как множественность заряженных частиц. Более того, поскольку все столкновения регистрировались одними и теми же детекторами и в одинаковых условиях, мы могли легко проверить, изменяются ли наши корреляции при различных конфигурациях сталкивающихся систем частиц», — говорит профессор Кухарчик. Выводы анализов интересны. Все указывает на то, что кварк-глюонная плазма может образовываться на БАК даже при одиночных столкновениях протонов.
|
|
|
|
В то же время источники вторичного излучения частиц при протон-протонных столкновениях оказываются меньшими, чем при смешанных столкновениях. Обнаружена также интересная связь между корреляциями и углами относительно оси пучка частиц, образовавшихся в результате столкновений. «Наблюдение корреляций в малых системах вызвало дискуссию об их происхождении. В частности, интригует вопрос о том, имеют ли они то же происхождение, что и при столкновениях тяжелых ионов, и, следовательно, какие именно условия необходимы для рождения кварка -глюонная плазма? Некоторые современные модели этой плазмы предполагают наличие в плазме коллективных явлений, связанных с потоками. Результаты нашего анализа кажутся ближе именно к таким гидродинамическим моделям", - добавляет профессор Кухарчик. Только вот — действительно ли мы имеем дело с потоками кварк-глюонной плазмы при адронизации? Существующие в настоящее время теоретические модели явления носят феноменологический характер, а это значит, что их необходимо калибровать данными, полученными в ходе экспериментов. Несмотря на это, ни одна из моделей не может воспроизвести результаты измерений с удовлетворительной точностью. Поэтому похоже, что физикам предстоит еще много работы, прежде чем станет известна истинная природа кварк-глюонных плазменных процессов.
|
|
|
|
Источник
|
