Физики поставили под сомнение традиционные модели поведения глюонов

Международная группа ученых в рамках эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере (ЦЕРН) впервые смогла различить два конкурирующих объяснения поведения глюонов — частиц, которые отвечают почти за всю массу видимой Вселенной. Результаты этой многомерной работы, опубликованные в журнале Physical Review Letters, могут открыть новую эру в ядерной физике, позволяя заглянуть в структуру вещества с беспрецедентной точностью.

Глюоны, вопреки расхожему мнению о кварках как об основных кирпичиках материи, являются истинными создателями массы. Именно энергия их движения и взаимодействия в рамках сильного ядерного взаимодействия формирует 98% всей массы видимой Вселенной, от атомов в наших телах до раскаленного вещества внутри звезд. Однако до недавнего времени их коллективное поведение внутри ядер оставалось одной из загадок современной физики, поскольку экспериментальные методы позволяли получать лишь усредненную, размытую картину. Новое исследование изменило эту ситуацию, предоставив ученым своего рода микроскоп невероятной силы.

Для достижения такого результата команда ALICE использовала уникальную технику, называемую некогерентным фотоядерным рождением J/ψ-мезона (джей-пси). Этот мезон, состоящий из очарованного кварка и антикварка, служит идеальным зондом для изучения внутренней структуры ядер.

Эксперимент был поставлен хитроумным образом: вместо того чтобы сталкивать ядра свинца в лоб, ученые заставили их проходить на предельно близком расстоянии друг от друга. В этих так называемых ультрапериферических столкновениях мощные электромагнитные поля, окружающие ядра, порождают пучки фотонов высокой энергии. Когда один из таких фотонов врезается в ядро-мишень, он рождает частицу J/ψ, и анализ этого события позволяет восстановить картину распределения глюонов в точке удара.

Главное достижение эксперимента заключалось в том, что физики впервые смогли менять «фокус» своего микроскопа и изучать ядро на разных масштабах. Изменяя передаваемый импульс, они последовательно исследовали структуры размером 0.6, 0.3 и 0.2 фемтометра — последнее значение соответствует области, в четыре раза меньшей диаметра протона.

Для наглядности: если представить атомное ядро размером с футбольный стадион, это измерение позволило бы разглядеть детали размером всего в несколько метров на игровом поле. Такая точность стала возможной именно благодаря некогерентному механизму рождения J/ψ-мезона, который чувствителен не к усредненной плотности глюонов, а к их локальным флуктуациям, позволяя заглянуть внутрь отдельных протонов и нейтронов.

Результаты оказались поразительными и поставили под сомнение устоявшиеся теории. При самом высоком разрешении ученые зафиксировали значительное подавление скорости образования частиц J/ψ. Статистическая значимость этого эффекта составляет около трех стандартных отклонений. Ранее это явление пытались объяснить «ядерным затенением», моделью, согласно которой глюоны внутри ядра частично перекрываются и экранируют друг друга, подобно слоям облаков, блокирующих солнечный свет. Однако новые измерения показали, что этого механизма недостаточно для объяснения наблюдаемых данных.

Вместо этого исследователи увидели свидетельства в пользу более экзотического явления, известного как «насыщение глюонов». Эта теория, вытекающая из квантовой хромодинамики, предсказывает, что при экстремально высоких энергиях глюоны становятся настолько плотно упакованными, что начинают активно взаимодействовать друг с другом, ограничивая возможность появления новых глюонов в данной области. Именно это динамическое равновесие между рождением и аннигиляцией глюонов и наблюдали ученые в своем эксперименте. Они сравнили данные с теоретическими моделями, и те из них, которые включали эффект насыщения, описали результаты гораздо лучше, чем традиционные модели, основанные на ядерном затенении.

В итоге, благодаря этому новаторскому исследованию ученые не просто получили новые данные, а впервые продемонстрировали, что загадочный мир глюонов подчиняется законам насыщения, а не простого затенения. Это означает, что наше понимание происхождения массы и структуры материи выходит на новый уровень. Физики получили инструмент для проверки самых фундаментальных теорий сильного взаимодействия и приблизились к разгадке того, как устроен мир на самой глубокой, квантовой, основе. В ближайшие годы, с набором новой статистики в третьем сеансе работы Большого адронного коллайдера, ученые планируют подтвердить эти результаты с еще большей точностью.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях