Новые измерения ALICE поставили под сомнение традиционную модель поведения глюонов

Физики, работающие в рамках эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере CERN, получили новые экспериментальные данные о поведении глюонов внутри атомных ядер. Исследование впервые позволило провести многомерное измерение некогерентного фотоядерного рождения J/ψ одновременно в зависимости от энергии взаимодействия и переданного импульса. Результаты дают возможность экспериментально различить два конкурирующих объяснения поведения глюонов при высоких энергиях.

Глюоны переносят сильное взаимодействие, связывающее кварки, и именно энергия этого взаимодействия составляет большую часть массы видимой Вселенной. Поэтому изучение распределения и поведения глюонов внутри атомных ядер важно для понимания того, как формируются масса и структура обычной материи. В исследовании ведущую роль сыграл физик-ядерщик Даниэль Тапиа Такаки, профессор физики и астрономии Университета Канзаса и участник коллаборации ALICE. Он сотрудничал с исследователями Чешского технического университета в Праге, с которым Университет Канзаса поддерживает институциональное партнёрство, предусматривающее обмен студентами и исследователями.

Для изучения пространственных флуктуаций глюонной плотности учёные использовали некогерентное фотоядерное рождение J/ψ. Данные были собраны во время второго периода работы Большого адронного коллайдера, проходившего с 2015 по 2018 год. В этих экспериментах быстро движущиеся ядра свинца проходили на близком расстоянии друг от друга, не сталкиваясь непосредственно. Сильные электромагнитные поля, окружающие ядра, при этом действовали как источники высокоэнергетических фотонов. Когда такой фотон взаимодействовал с другим ядром, на короткое время могла возникнуть частица J/ψ. Характеристики её рождения позволяли исследователям получить информацию о структуре глюонного поля.

Некогерентное рождение J/ψ отличается от методов, которые усредняют свойства глюонов по всему ядру. Этот процесс чувствителен к локальным флуктуациям глюонной плотности и поэтому позволяет исследовать структуры, размеры которых меньше протона. Учёные сравнивали результаты при разных значениях переданного импульса, что фактически меняло пространственное разрешение измерения. ALICE исследовал области размером 0,6, 0,3 и 0,2 фемтометра. При наиболее высоком разрешении эксперимент позволил изучать структуры размером примерно в четверть протона.

Измерения проводились в широком диапазоне энергий фотон-ядерного взаимодействия — от 20 до 633 миллиардов электронвольт. Одновременное исследование зависимости от энергии и переданного импульса позволило определить, как меняется вероятность рождения J/ψ при переходе к всё меньшим пространственным масштабам.

На самых малых исследованных масштабах исследователи обнаружили заметное подавление выхода частиц J/ψ. Статистическая значимость эффекта составила около трёх стандартных отклонений. Полученный результат оказался важен для проверки существующих моделей поведения глюонов внутри ядер.

До сих пор наблюдавшиеся особенности во многих случаях объяснялись ядерным затенением. Согласно этой модели, глюоны внутри ядра частично перекрываются, из-за чего вероятность некоторых процессов рождения частиц уменьшается. Новые измерения показывают, что одного механизма ядерного затенения недостаточно для полного объяснения полученных данных.

Результаты согласуются с другим предсказанным квантовой хромодинамикой явлением — насыщением глюонов. При достижении очень высокой плотности глюоны начинают интенсивно взаимодействовать друг с другом, что ограничивает дальнейшее увеличение их количества в определённой области пространства. Наблюдаемое подавление рождения J/ψ на наиболее малых масштабах указывает на то, что коллективное поведение глюонов может проявляться уже в исследованном диапазоне энергий и пространственных разрешений.

Полученные данные также поддерживают подход, в котором внутри ядра существуют локализованные области высокой концентрации глюонов, иногда называемые «горячими точками». Даниэль Тапиа Такаки ранее участвовал в разработке этого направления и теоретических моделей, описывающих изменение таких областей с энергией столкновения. Новые измерения позволяют проверять эти модели непосредственно по зависимости фотоядерного рождения J/ψ одновременно от энергии и пространственного масштаба.

Работа стала первым многомерным измерением некогерентного фотоядерного рождения J/ψ с одновременным учётом энергии взаимодействия и переданного импульса. Это даёт физикам более детальный способ исследовать структуру глюонных полей внутри атомных ядер и проверять теоретические представления о переходе к режиму их высокой плотности.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.