В рамках эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе физики получили значительно более детальное представление о поведении глюонов внутри атомных ядер. Новые данные могут помочь определить, какая из двух конкурирующих теорий верно описывает процессы, происходящие на предельно малых масштабах. Ведущую роль в исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, сыграл физик из Канзасского университета Дэниел Тапиа Такаки.
Учёные впервые выполнили многомерное измерение некогерентного фотоядерного рождения J/ψ-частиц (произносится «джей-псай»), отслеживая как энергию взаимодействия, так и переданный импульс. Это позволяет изучать распределение глюонов в атомных ядрах с беспрецедентной точностью. Глюоны — это частицы, которые связывают кварки посредством сильного взаимодействия. Хотя кварки принято называть фундаментальными составляющими протонов и нейтронов, большая часть массы обычного вещества обусловлена энергией глюонов и сильного поля.
«Хотя кварки часто описывают как фундаментальные строительные блоки материи, почти вся масса видимой Вселенной — от атомов в наших телах до вещества внутри звёзд — на самом деле происходит от энергии, которую несут глюоны и сильное взаимодействие, связывающее кварки, — заявил Дэниел Тапиа Такаки, профессор физики и астрономии Канзасского университета и участник коллаборации ALICE. — Поэтому понимание того, как глюоны ведут себя внутри ядер, необходимо для понимания того, как материя приобретает свою массу и структуру».
Для изучения локальных изменений в распределении глюонов внутри ядер исследователи применили метод некогерентного фотоядерного рождения J/ψ. Измерения проводились на данных, собранных во время второго сеанса работы Большого адронного коллайдера, где быстрые ядра свинца проходят вблизи друг друга, не сталкиваясь напрямую. В таких случаях интенсивные электромагнитные поля вокруг ядер действуют как пучки фотонов высокой энергии. Когда такой фотон попадает в другое ядро, может кратковременно образоваться частица J/ψ, рождение которой служит чувствительным индикатором глюонной структуры. В отличие от многих измерений, усредняющих распределение глюонов по всему ядру, некогерентное рождение J/ψ позволяет выявить локальные изменения глюонной плотности и исследовать структуры даже меньше протона.
«Наши эксперименты с использованием некогерентного рождения — это как переход от размытого изображения к микроскопу высокого разрешения, — пояснил Тапиа Такаки. — Этот процесс позволяет увидеть, как глюоны флуктуируют и организуются внутри ядер. Меняя переданный импульс, мы фактически изменяем фокус нашего микроскопа. При разрешениях 0,6, 0,3 и 0,2 фемтометра ALICE последовательно исследовала всё меньшие области внутри ядра. Самое высокое разрешение соответствует структурам размером примерно в четверть протона». По его словам, при таких масштабах наблюдаются признаки того, что глюоны начинают вести себя коллективно — явление, известное как глюонное насыщение.
Результаты показали, что на самых малых пространственных масштабах скорость рождения J/ψ-частиц значительно подавлена — со статистической значимостью около трёх стандартных отклонений. Это неожиданное подавление представляет проблему для давнего объяснения, известного как «ядерное затенение», которое успешно описывало более ранние измерения. Согласно этой модели, глюоны внутри ядра частично перекрываются и заслоняют друг друга, подобно слоям облаков, блокирующим солнечный свет, что снижает вероятность некоторых процессов рождения частиц. Однако новые данные свидетельствуют, что одного лишь обычного ядерного затенения недостаточно для объяснения наблюдаемой картины. Напротив, результаты согласуются с глюонным насыщением — явлением, предсказанным квантовой хромодинамикой, теорией сильного взаимодействия. В этом режиме глюоны становятся настолько плотно упакованными, что начинают сильно взаимодействовать друг с другом, ограничивая их возможное количество в данной области.