В столкновениях протонов нашли следы кварк-глюонной плазмы

Коллаборация ALICE (A Large Ion Collider Experiment) обнаружила свидетельства того, что в столкновениях протонов в Большом адронном коллайдере может образовываться кварк-глюонная плазма — сверхплотная и очень горячая жидкость, в которой составляющие адронной материи способны свободно перемещаться. Это состояние вещества характеризует Вселенную в первые микросекунды  после Большого Взрыва. Обычно для получения кварк-глюонной плазмы используют тяжелые ядра (свинца или золота) — считается, что протоны слишком легки для этого. На необычную находку указало избыточное количество частиц со странными квараками, рождающееся в столкновениях. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics, кратко о нем сообщает пресс-релиз CERN.

Согласно Стандартной модели, протоны и нейтроны, из которых состоит вся окружающая нас обыкновенная материя, состоят из более мелких «кирпичиков»  — кварков, связанных между собой глюонными полями (от слова glue — клей). Но если оторвать атом от молекулы или пару протонов и нейтронов от ядра атома возможно — и при этом образуется свободная неизменная частица, то оторвать свободный кварк от протона невозможно. Энергия, требующаяся для этого, оказывается огромной — ее достаточно, чтобы рядом с «отрываемым» кварком возник еще один кварк. Это явление называется конфайнментом.

Однако если сообщить системе кварков и глюонов в протоне или нейтроне большую дополнительную энергию — например, нагреть эту систему до эквивалента триллионов градусов, конфайнмент можно преодолеть. Кварки при этом начнут покидать пространство, занимаемое одним нуклоном, формируя кварк-глюонную плазму. Интересно, что этот объект ведет себя скорее как жидкость, чем как газ.

С ростом количества частиц, рождающихся в столкновениях протонов с протонами и с ростом количества странных кварков в исследуемых частицах растет выход странных адронов в столкновениях. ALICE / CERN

Лучший способ сообщить такое огромное количество энергии — взять две частицы и столкнуть их на большой скорости. Именно таким способом получал кварк-глюонную плазму на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) и в БАК. В качестве снарядов в ускорителях выступали ионы свинца или золота, сталкивающиеся друг с другом или с протонами (дейтронами).

Одним из убедительных сигналов образования кварк-глюонной плазмы является характер частиц, образующихся в ней — их фиксируют детекторы после распада плазмы. Из-за больших энергий в капле такой материи существуют не только верхние и нижние кварки (валентные кварки протонов и нейтронов), но и более тяжелые — странные и очарованные кварки.

Оказывается, что среди рождающихся частиц чаще всего можно встретить именно странные адроны (каоны, лямбда-частицы и так далее), а рождение очарованных частиц (например, J/ψ-мезона) подавляется по сравнению с рождением в вакууме. За это ответственны процессы, напоминающие экранирование зарядов. Подробнее об этом можно прочесть, например, здесь.

Авторы новой работы впервые обнаружили избыточный выход странных частиц в столкновениях протонов с протонами. Физики анализировали данные, собранные детектором ALICE за Run 1 Большого адронного коллайдера (2009–2013) — когда энергия столкновений составляла семь тераэлектронвольт. Оказалось, что явление наблюдается в редких столкновениях протонов, когда рождается сразу большое количество частиц. Чем больше появляется частиц в результате столкновения, тем больше темпы рождения странных адронов, а также, чем больше странных кварков в странном адроне, исследуемом авторами, тем сильнее для него проявляется эта закономерность.

По словам Федерико Антинори, физики очень воодушевлены открытием.

«Мы узнали многое о состоянии первичной материи. То, что мы обнаружили явление, которое обычно встречается в кварк-глюонной плазме, в небольшой и простой системе — столкновении двух протонов — открывает целое новое измерение для исследования состояния, из которого возникла наша Вселенная».

Вместе с тем, избыточный выход странных частиц в протон-протонных столкновениях не предсказывается современными теориями. Так как поведение системы оказывается похожим на столкновения ядер свинца с ядрами свинца, или с протонами, физики отмечают, что может существовать неизвестный механизм, общий для всех этих процессов.

Важно заметить, что сам по себе избыток странных частиц еще не доказывает появление кварк-глюонной плазмы в столкновениях. Для этого физикам потребуются дополнительные исследования.

Пример столкновения протона и ядра свинца в детекторе ALICE. ALICE
.[image]

ALICE — детектор, предназначенный для исследования столкновений тяжелых ионов в Большом адронном коллайдере. Сеансы таких столкновений проводятся в конце почти каждого ускорительного года. Например, в 2016 году с ноября по декабрь в коллайдере происходили столкновения протонов с ядрами свинца.

Ранее мы сообщали об исследованиях антиядер, рождающихся в столкновениях ядер свинца.