Впервые, изучая квантовые корреляции между тройками вторичных частиц, созданных во время столкновений с высокой энергией в ускорителе LHC, удалось наблюдать их когерентное производство. Это достижение подтверждает справедливость модели «ядро-гало», используемой для описания одного из наиболее важных физических процессов — адронизации, в ходе которого отдельные кварки объединяются, образуя основные компоненты материи во Вселенной.
Кварки и глюоны
Кварки и глюоны, которые их связывают, являются самыми многочисленными «заключёнными» в современной Вселенной, запертыми внутри протонов, нейтронов и мезонов. Однако при достаточно высоких энергиях, таких как те, что существовали вскоре после Большого взрыва или возникают сегодня при протонных столкновениях в ускорителе LHC, кварки и глюоны высвобождаются, образуя экзотический «суп» — кварк-глюонную плазму.
В обычных условиях эта плазма нестабильна, и как только она достаточно охлаждается, кварки и глюоны снова связываются вместе, образуя частицы материи в процессе, называемом адронизацией.
Новые детали явления
Новые детали этого увлекательного явления были получены благодаря анализу так называемых трёхчастичных квантовых корреляций. Об этом сообщили физики из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове, работающие в рамках эксперимента LHCb, проводимого Европейской организацией ядерных исследований (CERN) в Женеве.
Когда протоны сталкиваются с протонами при высоких энергиях в ускорителе LHC, кварки, из которых состоят эти частицы, вместе с глюонами, которые их связывают, образуют смесь — кварк-глюонную плазму. Именно во время её охлаждения, в процессе адронизации, образуются вторичные частицы, которые позже регистрируются в детекторах как продукты столкновения.
Исследование процесса адронизации
Исследование процесса адронизации имеет решающее значение для понимания того, как формировались (и продолжают формироваться) частицы, составляющие наш повседневный мир. Однако адронизация чрезвычайно сложна для анализа, поскольку происходит в чрезвычайно короткие промежутки времени, порядка триллионных долей триллионной секунды, и на расстояниях порядка миллионных долей миллиардной метра. Прямое наблюдение этого процесса сегодня невозможно, и в обозримом будущем оно также не станет возможным.
Физики пытаются получить информацию о явлениях, происходящих во время адронизации, косвенно, в том числе на основе анализа квантовых корреляций, которые можно обнаружить между частицами, покидающими зону столкновения.
Квантовые корреляции и модель «ядро-гало»
В статье, опубликованной в Journal of High Energy Physics, квантовые корреляции были изучены в рамках модели «ядро-гало». Эта модель предполагает, что пространственную область адронизации, из которой происходят вторичные частицы, зарегистрированные после столкновения, можно разделить на две части: центральную часть, называемую ядром, где они производятся непосредственно из кварк-глюонной плазмы или в результате распада короткоживущих частиц, образованных из неё, и гало, где они происходят только из распадов частиц с более длительным временем жизни.
Благодаря бозе-эйнштейновским корреляциям между частицами, зарегистрированным детекторами эксперимента LHCb, можно извлечь информацию о размере и форме источника, из которого они излучаются, и даже о том, как этот источник изменяется со временем, и о том, сколько частиц испускается из ядра, а сколько — из гало.
Анализы были выполнены на протон-протонных столкновениях, наблюдаемых в эксперименте LHCb, с акцентом на те случаи, которые привели к образованию троек пионов (пи-мезонов) с одинаковым знаком электрического заряда. Данные, собранные в 2013 году, касались столкновений с энергией в семь тераэлектронвольт (TeV) и пионов, испущенных в так называемой «прямой» области, то есть лишь слегка расходящихся от направления исходного протонного пучка.
Во время своей работы краковские физики опирались на свои предыдущие анализы, проведённые два года назад, когда они смогли продемонстрировать существование квантовых корреляций между парами испускаемых пионов для аналогичных столкновений.
«Производство троек в изучаемых в настоящее время случаях для частиц, распространяющихся «вперёд» из зоны столкновения, по какой-то причине оказалось когерентным. Таким образом, мы имеем дело с первым наблюдением когерентного производства частиц с использованием трёхчастичных бозе-эйнштейновских корреляций для так называемых малых систем, то есть тех, в которых протон сталкивается с протоном или ионом», — подчёркивает профессор Кухарчик.
Наблюдение явления — это одно, а объяснение — другое. Какие процессы, происходящие во время адронизации, могли бы быть ответственны за когерентное производство частиц, испускаемых вдоль первоначального направления протонных пучков?
Всё больше данных свидетельствует о том, что в малых системах столкновений могут возникать некоторые формы коллективных явлений. Однако текущие модели не включают механизмы, способные объяснить обнаруженное явление, и трудно предсказать, когда физики-теоретики заполнят этот пробел. Однако несомненно то, что, когда это произойдёт, мы будем богаче информацией о ходе адронизации — процесса, который имеет фундаментальное значение для формы нашей физической реальности, но всё ещё хранит так много секретов.
proton collisions in the LHC accelerator—quarks and gluons are released, forming an exotic \»soup\»: quark-gluon plasma. Under normal conditions, this plasma is not stable, and as soon as it cools down sufficiently, the quarks and gluons bind together again, producing particles of matter in a process called hadronization.»,»New details of this fascinating phenomenon, obtained through the analysis of so-called three-body quantum correlations, have been reported by physicists from the Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) in Krakow, working as part of the LHCb experiment conducted by the European Organization for Nuclear Research (CERN) in Geneva.»,»When protons collide with protons at high energies in the LHC accelerator, the quarks that make up these particles, together with the gluons that bind them, form a mixture: quark-gluon plasma. It is during its cooling, in a process called hadronization, that secondary particles are formed, which are later recorded in detectors as collision products.»,»Research into the process of hadronization is crucial to understanding how the particles that make up our everyday world were formed (and continue to be formed). However, hadronization is extremely difficult to analyze because it occurs in an extremely short time, on the order of trillionths of a trillionth of a second, and at distances on the order of millionths of a billionth of a meter. Its direct observation is not possible today, nor will it be in the foreseeable future.»,»Physicists are therefore trying to obtain information about the phenomena occurring during hadronization indirectly, among others, on the basis of analyses of quantum correlations that can be detected between particles escaping from the collision area.»,»\»In quantum mechanics, wave functions are used to describe particles. When there are many particles in a system, their wave functions overlap and interference occurs, as in the case of ordinary waves. We talk about Bose-Einstein correlations when the interfering wave functions cancel each other out. If they were to reinforce each other, we would refer to Fermi-Dirac correlations,\» explains Prof. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN).»,»In an article published in the Journal of High Energy Physics, quantum correlations were studied within the core-halo model.»,»This model assumes that the spatial area of hadronization, from which the secondary particles recorded after the collision originate, can be divided into two parts: the central part called the core, where they are produced directly from quark-gluon plasma or in the decays of short-lived particles formed from it, and a halo, where they originate only from the decays of particles with longer lifetimes. It is important to note that the main parameters of the core-halo model can be determined on the basis of parameters describing quantum correlations between emitted particles.»,»\»Thanks to the Bose-Einstein correlations between particles recorded by the LHCb experiment detectors, we can extract information about the size and shape of the source from which they are emitted, and even about how this source changes over time and how many particles are emitted from the core and how many from the halo. In this way, we gain knowledge about the details of hadronization itself, about the dynamics of the early stage of particle production,\» adds Dr. Milosz Zdybal, co-author of the analysis.»,»The analyses were performed on proton-proton collisions observed in the LHCb experiment, focusing on those cases that led to the formation of triplets of pions (pi mesons) with the same electric charge sign. The data, collected in 2013, concerned collisions with an energy of seven teraelectronvolts (TeV) and pions emitted in the so-called \»forward\» area, i.e. only slightly diverging from the direction of the original proton beam.»,»During their work, the Krakow physicists drew on their earlier analyses from two years ago, when they were able to demonstrate the existence of quantum correlations between pairs of emitted pions for similar collisions.»,»\»The production of triplets in the cases currently studied, for particles propagating ‘forward’ from the collision area, has for some reason turned out to be coherent. So we are dealing with the first observation of coherent particle production using three-body Bose-Einstein correlations for so-called small systems, i.e. those in which a proton collides with a proton or an ion,\» emphasizes Prof. Kucharczyk.»,»Observing a phenomenon is one thing, explaining it is another. What processes occurring during hadronization could be responsible for the coherent production of particles emitted along the original direction of the proton beams?»,»There is growing evidence that some form of collective phenomena may occur in small collision systems. However, current models do not include mechanisms capable of explaining the discovered phenomenon, and it is difficult to predict when theoretical physicists will fill this gap. What is certain, however, is that when this happens, we will be richer in information about the course of hadronization—a process that is fundamentally important for the shape of our physical reality, yet still holds so many secrets.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tPolish Academy of Sciences\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник