На пределе физики: в ЦЕРНе обнаружили, что материя не может уплотняться бесконечно

Все окружающие нас предметы состоят из атомов. В центре каждого атома находится ядро, построенное из протонов и нейтронов (их называют общим термином «нуклоны»). Если заглянуть еще глубже, окажется, что сами нуклоны не являются неделимыми частями. Они состоят из еще более мелких элементарных частиц — кварков, которые удерживаются вместе благодаря зацеплению другими частицами — глюонами.

Глюоны переносят сильное ядерное взаимодействие — самую мощную силу в природе. Без глюонов атомные ядра не могли бы существовать, и материя во Вселенной мгновенно распалась бы.

Однако при исследовании частиц на огромных скоростях и энергиях физики столкнулись с феноменом: внутри нуклонов количество глюонов не остается постоянным. С ростом энергии взаимодействия их число стремительно увеличивается. Это породило фундаментальный вопрос физики элементарных частиц: может ли количество глюонов расти бесконечно, или существует физический предел их плотности внутри нуклона?

Эксперимент ALICE, проведенный на Большом адронном коллайдере в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), дал ответ на этот вопрос. Ученые получили экспериментальные доказательства эффекта глюонного насыщения — состояния, при котором плотность глюонов достигает своего максимума и прекращает расти.

Почему число глюонов растет и что такое насыщение

Чтобы понять суть открытия, необходимо разобраться в особенностях сильного взаимодействия.

В отличие от фотонов (частиц света), которые не взаимодействуют друг с другом, глюоны способны взаимодействовать между собой. Один глюон может расщепляться на два новых, а те, в свою очередь, расщепляются дальше.

Когда физики разгоняют атомные ядра на ускорителях до скоростей, близких к скорости света, и сталкивают их, энергия взаимодействия возрастает. Часть этой энергии превращается в новые частицы. В результате внутри протонов и нейтронов появляется огромное количество новых глюонов. Чем выше энергия сталкиваемых частиц, тем больше глюонов образуется в том же самом объеме.

Однако Квантовая хромодинамика — теория, описывающая сильное взаимодействие — предсказывает обратный процесс. Когда плотность глюонов в пространстве становится слишком высокой, они начинают сталкиваться и сливаться обратно друг с другом (два глюона объединяются в один).

Теория утверждает: при определенной энергии наступает динамический баланс. Скорость появления новых глюонов становится равной скорости их слияния. Это состояние и называется глюонным насыщением.

Долгое время насыщение оставалось лишь гипотезой, так как для его наблюдения требовались экстремальные энергии и приборы с высочайшим пространственным разрешением.

Как проводился эксперимент на Большом адронном коллайдере

Для поиска признаков насыщения исследователи из коллаборации ALICE использовали столкновения тяжелых ионов свинца. Свинец был выбран неслучайно: его ядро содержит 208 нуклонов (82 протона и 126 нейтронов). В таком крупном ядре эффект плотности глюонов проявляется значительно сильнее, чем в одиночных протонах.

Ученые использовали особый тип процессов — ультрапериферические столкновения.

При обычных столкновениях ядра врезаются друг в друга лоб в лоб и разрушаются, создавая тысячи новых частиц, что сильно усложняет анализ. В ультрапериферических столкновениях ядра пролетают на небольшом расстоянии друг от друга, не задевая друг друга напрямую.

Поскольку ядро свинца имеет огромный электрический заряд, вокруг него при движении возникает сильнейшее электромагнитное поле. Это поле состоит из фотонов высоких энергий. В момент сближения ядер фотон, излученный одним ядром свинца, взаимодействует с глюонным полем другого ядра свинца.

Схема взаимодействия выглядит следующим образом:

1. Фотон высокого уровня энергии превращается в пару из двух частиц: очарованного кварка и очарованного антикварка.
2. Эта кварковая пара проходит сквозь глюонное поле ядра-мишени и обменивается с ним импульсом.
3. После выхода из ядра кварковая пара превращается в нестабильную частицу — J/psi-мезон (джи-пси мезон).
4. J/psi-мезон практически мгновенно распадается на две частицы — мюон и антимюон, которые и регистрирует детектор ALICE.

Измеряя параметры вылетевших мюонов, физики могут с высокой точностью установить характеристики глюонного поля внутри ядра свинца, с которым провзаимодействовал фотон.

Два способа исследования ядра: когерентный и инкогерентный

При фотоядерном рождении J/psi-мезонов возможны два сценария взаимодействия, каждый из которых несет разную информацию о структуре ядра:

1. Когерентный процесс. Фотон взаимодействует со всем ядром свинца как с единым целым. Ядро при этом остается целым и не разрушается. Этот процесс позволяет измерить среднюю плотность глюонов по всему объему ядра.
2. Инкогерентный процесс. Фотон взаимодействует с одним конкретным нуклоном или даже с отдельной локальной областью внутри нуклона. В результате такого точечного удара ядро свинца распадается.

Для задачи поиска глюонного насыщения решающее значение имеет именно инкогерентный процесс. Он позволяет изучать не усредненную картинку всего ядра, а внутреннее устройство отдельных нуклонов.

Чтобы регулировать «масштаб наблюдения», физики используют физическую величину, называемую квадратом переданного четырехимпульса, или переменной Мандельштама (обозначается как |t|).

Переменная |t| связана с пространственными размерами области взаимодействия:

• Малые значения |t| (около 0,1 ГэВ²) означают, что взаимодействие происходит на относительно крупных пространственных масштабах — порядка 0,6 фемтометра (это сравнимо с размером самого нуклона).
• Большие значения |t| (от 0,81 до 1,44 ГэВ²) означают, что столкновение происходит на очень малых пространственных масштабах — порядка 0,2 фемтометра. На таком масштабе физики исследуют мелкие внутренние области нуклона.

Суть открытия: где и как остановился рост

Коллаборация ALICE измерила сечение (вероятность) инкогерентного рождения J/psi-мезонов при различных энергиях взаимодействия (от 20 до 633 Гигаэлектронвольт, ГэВ) и для трех различных диапазонов переданного импульса |t|.

Если бы эффект глюонного насыщения отсутствовал, сечение рождения J/psi-мезонов росло бы с увеличением энергии во всех диапазонах |t|.

Однако измерения показали принципиально разное поведение:

• На малых значениях |t| (крупный пространственный масштаб 0,6 фм) сечение рождения J/psi-мезонов продолжало расти с увеличением энергии взаимодействия, как и предсказывали стандартные теории.
• На больших значениях |t| (малый пространственный масштаб 0,2 фм) с увеличением энергии рост сечения сначала замедлился, а при достижении высоких энергий полностью остановился.

Чтобы подтвердить этот вывод, ученые вычислили отношение сечения на малом пространственном масштабе к сечению на крупном масштабе, применив нормировку на начальную энергию в 20 ГэВ.

При низкой энергии отношение равнялось единице. Но при максимальной энергии взаимодействия (633 ГэВ) это отношение упало до 0,52 +- 0,13.

Падение составило почти 50%. Отклонение полученного значения от единицы превышает 3 стандартных отклонения (3 сигма). В физике элементарных частиц это является официальным пороговым доказательством наблюдения физического эффекта. Физики зафиксировали явное подавление (отсутствие ожидаемого роста) рождения частиц на малых пространственных масштабах.

Физический механизм: почему остановилось образование частиц

Чтобы объяснить, почему именно инкогерентное сечение перестает расти при высоких энергиях, необходимо обратиться к теории флуктуаций цветного заряда (теоретический подход Гуда — Уокера).

Вероятность инкогерентного рассеяния напрямую зависит от неоднородности (дисперсии) распределения глюонов внутри мишени.

1. При умеренных энергиях: глюоны внутри нуклонов распределены неравномерно. Они образуют отдельные сгустки с высокой плотностью — так называемые «горячие точки». Из-за этого от одного столкновения к другому структура ядра кажется фотону разной. Различие между состояниями (флуктуация) велико. Высокая дисперсия приводит к тому, что инкогерентное сечение активно растет.
2. При экстремально высоких энергиях (режим насыщения): количество глюонов сильно увеличивается из-за расщепления. Однако слияние глюонов не дает плотности в «горячих точках» расти бесконечно. В результате новые глюоны начинают заполнять свободное пространство между этими точками.

Когда глюоны заполняют весь доступный объем внутри нуклона на масштабе 0,2 фемтометра, пространственное распределение глюонов становится одинаково плотным в любой точке.

В этот момент различие между индивидуальными квантовыми состояниями исчезает: мишень выглядит одинаково плотной при каждом новом столкновении. Дисперсия (флуктуация) устремляется к нулю. А поскольку инкогерентное рассеяние физически возможно только при наличии флуктуаций, рост сечения прекращается.

Сравнение с теоретическими моделями

Полученные экспериментальные данные ALICE сравнили с главными конкурирующими теоретическими подходами в физике ядра:

1. Модель ведущего твиста (LTA / Leading Twist Approximation): это традиционная модель ядерного теневого эффекта. Она учитывает, что фотон может рассеиваться на нескольких нуклонах подряд, но не включает эффекты рекомбинации глюонов (насыщения). Модель LTA предсказала непрерывный рост сечения. В результате ее предсказания разошлись с экспериментальными данными ALICE более чем на 3-4 стандартных отклонения (сигма). Модель LTA была опровергнута этими данными.
2. Модели глюонного насыщения (модели Чепилы, Мянисаари и других): эти модели основаны на уравнениях нелинейной эволюции плотности глюонов и учитывают флуктуации формы нуклонов. Модели насыщения успешно предсказали прекращение роста сечения при высоких энергиях. Их расчеты совпали с данными эксперимента ALICE в пределах погрешности измерений (отклонение составило менее 2 стандартных отклонений).

Практическое и научное значение открытия

Результат, полученный коллаборацией ALICE на Большом адронном коллайдере, представляет собой фундаментальный шаг в понимании строения материи.

Основные выводы исследования:

• Подтвержден предел плотности глюонов. Доказано, что плотность сильного поля внутри нуклонов ограничена фундаментальными законами КХД. Глюонное поле не может уплотняться бесконечно.
• Подтверждено изменение структуры нуклона. На высоких энергиях нуклон перестает выглядеть как набор редких локализованных сгустков глюонов и превращается в систему с равномерно высокой плотностью цветного заряда.
• Зафиксирован отказ традиционных теорий. Теоретические модели, не учитывающие слияние глюонов, больше не могут применяться для описания высокоэнергетических ядерных процессов.

Эти данные имеют критическое значение для планирования будущих физических экспериментов. В частности, они будут использованы при разработке программ исследований на Электронно-ионном коллайдере (EIC), который строится в Брукхейвенской национальной лаборатории в США, а также при анализе будущих сеансов работы Большого адронного коллайдера на повышенной светимости.

Эксперимент ALICE доказал, что физика элементарных частиц вошла в область, где нелинейные эффекты сильного взаимодействия становятся определяющим фактором структуры материи.

Источник: Physical Review Letters