Как не столкнувшиеся частицы в коллайдере выявили аномалии в квантовой теории: новый эксперимент в ЦЕРН

Традиционный подход к изучению фундаментальных свойств материи на Большом адронном коллайдере (БАК) заключается в лобовых столкновениях частиц. Разгоняя протоны или тяжелые ионы до скоростей, близких к скорости света, физики сталкивают их друг с другом, чтобы извлечь информацию из образовавшегося шквала вторичных частиц. Но при прямом ударе тяжелых атомных ядер образуется кварк-глюонная плазма — сверхплотная и экстремально горячая среда, в которой первоначальное состояние внутренних структур ядра безвозвратно стирается в хаосе множественных взаимодействий.

Чтобы понять, как материя устроена до момента разрушения, требуются другие методы. Международная коллаборация CMS (один из четырех главных экспериментов на БАК) опубликовала в журнале Physical Review Letters результаты исследования, в котором физики применили принципиально другой механизм сбора данных. Вместо того чтобы анализировать последствия прямых ударов, ученые измерили параметры ультрапериферических (почти по касательной) пролетов тяжелых ионов. Эта технология позволила получить самые точные данные о внутреннем распределении частиц, удерживающих атомное ядро от распада.

Парадокс бесконечного дробления

Стабильность ядра обеспечивается сильным ядерным взаимодействием. Внутри протонов и нейтронов находятся кварки, которые непрерывно обмениваются между собой частицами-переносчиками этого взаимодействия — глюонами. Именно они преодолевают взаимное электрическое отталкивание протонов и сохраняют целостность атома.

В рамках квантовой хромодинамики (теории, описывающей сильное взаимодействие) атомное ядро представляет собой динамическую систему. Энергия и импульс ядра распределяются между кварками и глюонами. Физиков особенно интересует параметр, обозначаемый буквой x — доля общего импульса нуклона, которую несет один конкретный партон (кварк или глюон).

Десятилетия экспериментов показали контринтуитивную особенность сильного взаимодействия: чем точнее измерительные приборы сканируют ядро при высоких энергиях, тем больше внутри обнаруживается глюонов с экстремально малыми значениями x. Возникает физический парадокс. Глюоны могут излучать новые глюоны, те — следующие, и количество частиц с малым импульсом должно расти по экспоненте. Однако атомное ядро имеет конечные размеры и не может содержать бесконечную плотность энергии.

Следовательно, в природе должен существовать механизм подавления или рекомбинации, при котором глюоны начинают сливаться обратно друг с другом, стабилизируя систему. Этот гипотетический предел плотности теоретики называют состоянием с нелинейной квантовой эволюцией. Доказать работу этого механизма экспериментально и измерить точные параметры плотности — одна из сложнейших задач современной физики.

Механика дистанционного зондирования

Для сканирования ядра без его разрушения ученые коллаборации CMS обратились к ультрапериферическим столкновениям (UPC). В ходе таких событий два иона свинца летят навстречу друг другу в вакуумной трубе коллайдера, но их траектории расходятся на расстояние, которое немного превышает сумму их физических радиусов. Лобового удара не происходит, сильное ядерное взаимодействие между двумя ядрами не активируется.

Однако в дело вступает электромагнетизм. Ядро свинца содержит 82 протона, формируя мощное электрическое поле. При движении со скоростью, близкой к скорости света, вступают в силу релятивистские эффекты: электромагнитное поле иона искажается, сплющиваясь в направлении движения. На таких скоростях физика позволяет рассматривать это искаженное поле как направленный поток квазиреальных фотонов высоких энергий.

Фактически, одно ядро свинца выступает в роли источника жесткого излучения, а второе — в роли мишени. Фотон, оторвавшийся от электромагнитного поля первого ядра, проникает сквозь пространство и пронзает второе ядро. Внутри мишени фотон сталкивается с одним конкретным глюоном.

В результате этой реакции электромагнитная энергия преобразуется в массу: возникает пара тяжелых частиц — очарованный кварк и его антикварк (ccˉ). Масса очарованного кварка достаточно велика, чтобы физики могли использовать строгие математические методы теории возмущений для расчета всех предшествующих параметров системы.

Вылетая за пределы ядра, очарованный кварк мгновенно захватывает из вакуума другие легкие кварки (этот процесс называется адронизацией) и формирует составную частицу — D⁰-мезон. Именно эту частицу и продукты ее дальнейшего распада фиксируют многослойные детекторы установки CMS.

Главное преимущество этого метода заключается в абсолютной чистоте эксперимента. Поскольку само ядро мишени не разрушается в мелкую пыль, вокруг D⁰-мезона не возникает фонового шума от тысяч других частиц. Детекторы регистрируют так называемый «разрыв быстроты» — обширные пустые зоны в приборах, указывающие на то, что произошло именно дистанционное электромагнитное взаимодействие. Измеряя поперечный импульс и угол вылета D⁰-мезона, суперкомпьютеры ЦЕРН вычисляют точную долю импульса (x) первоначального глюона, в который попал фотон.

Расхождение между расчетами и реальностью

В новой работе исследователи проанализировали данные столкновений ионов свинца, собранные в 2023 году при энергии 5,36 тераэлектронвольт на пару нуклонов. Детекторы зафиксировали характеристики глюонов в диапазоне доли импульса x от 3x10^−4 до 3x10^−2. Полученные значения эффективного сечения (вероятности рождения мезонов при заданных параметрах) сравнили с передовыми теоретическими расчетами.

Результаты выявили существенные проблемы в современных математических моделях.

Сначала физики наложили данные на стандартную модель ядерных функций распределения партонов (EPPS21). В зоне низкого поперечного импульса D⁰-мезонов (от 2 до 5 ГэВ) детекторы зафиксировали несколько больше частиц, чем предсказывала теория. Это расхождение свидетельствует о том, что стандартная модель недооценивает силу, с которой ядерная среда подавляет рождение низкоэнергетичных глюонов.

Второе сравнение оказалось еще более показательным. Существует альтернативный теоретический подход, специально разработанный для описания систем с высокой плотности партонов — структура, учитывающая ту самую нелинейную эволюцию глюонов. При анализе мезонов с высоким поперечным импульсом (от 5 до 12 ГэВ) эта нелинейная модель показала полную несостоятельность на текущем этапе. Теория предсказывала значения, превышающие реальные экспериментальные данные в 1,5-3 раза.

Фундаментальные последствия

Измерения, проведенные коллаборацией CMS, установили новые экспериментальные ограничения для теоретической физики. Доказано, что электромагнитное поле пролетающего мимо тяжелого иона способно служить сверхточным инструментом зондирования ядерной структуры в режимах, недоступных для классических лобовых столкновений.

Обнаруженные отклонения эмпирических данных от обеих ведущих математических моделей означают, что физика сильного взаимодействия нуждается в корректировке. Текущие уравнения не способны достоверно описать динамику плотности глюонов внутри атомных ядер свинца. Обновление этих моделей на основе данных эксперимента CMS станет следующим шагом к пониманию механизмов, которые формируют массу и определяют структурную стабильность всей материи во Вселенной.

Источник: Physical Review Letters