Море рождающихся кварков и глюонов, включая виртуальные — так можно представить основную фазу столкновений протонов с высокой энергией. Казалось бы, у частиц здесь значительно больше возможностей для развития, чем когда менее многочисленные и куда более «воспитанные» вторичные частицы разлетаются из точки столкновения. Однако данные с ускорителя LHC доказывают, что реальность работает иначе, и это лучше описывается улучшенной моделью столкновений протонов.
Многое происходит во время столкновений протонов с высокой энергией. Протоны — это адроны, то есть скопления партонов — кварков и глюонов, которые их связывают. Когда протоны сталкиваются друг с другом при достаточно высоких энергиях, их кварки и глюоны (включая виртуальные, которые появляются на мгновение во время взаимодействий) вступают в сложные взаимодействия.
Только когда они «остывают», кварки соединяются вместе, образуя новые адроны, которые разлетаются из области столкновения и регистрируются детекторами. Интуиция подсказывает, что энтропия образующихся адронов — величина, описывающая количество состояний, в которых может находиться система частиц — должна отличаться от энтропии в партонной фазе столкновения, когда есть много взаимодействующих кварков и глюонов, и взаимодействия кажутся на первый взгляд хаотичными и динамичными.
Результаты последних исследований по энтропии адронов и партонов при столкновениях протонов представлены в журнале Physical Review D профессором Кшиштофом Кутаком и доктором Шандором Локосом, учёными из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове.
«В физике высоких энергий уже некоторое время используются так называемые дипольные модели для описания эволюции плотных глюонных систем. Эти модели предполагают, что каждый глюон можно представить в виде пары кварк-антикварк, которая образует диполь двух цветов — здесь мы говорим не об обычных цветах, а о цветовом заряде, который является квантовым свойством глюонов. Дипольные модели, основанные на среднем количестве адронов, образующихся при столкновении, позволяют оценить энтропию партонов», — объясняет профессор Кутак, который исследует энтропию сложных кварк-глюонных систем более десяти лет.
Два года назад профессор Кутак в сотрудничестве с доктором Павелом Капутой из Стокгольмского университета разработал интересный вариант дипольной модели. Учёные рассмотрели одну из существующих моделей эволюции глюонной системы как ведущую и дополнили её подчинёнными эффектами, важными для столкновений, происходящих при более низких энергиях, где количество адронов, образующихся при столкновениях, меньше. Этот прогресс стал возможен благодаря признанию связи между уравнениями текущих дипольных моделей и уравнениями, используемыми в теории сложности.
Чтобы проверить достоверность обобщённой дипольной модели, доктор Локос предложил использовать результаты измерений, собранных в различных экспериментах на ускорителе LHC, включая четыре основных: ALICE, ATLAS, CMS и LHCb. Данные охватывали столкновения в относительно широком энергетическом диапазоне — от 0,2 тераэлектронвольт до 13 ТэВ, что является максимальной энергией, до которой можно ускорить протоны на LHC.
«В нашей статье мы показываем, что обобщённая дипольная модель описывает существующие данные более точно, чем предыдущие дипольные модели, и, кроме того, хорошо работает в более широком диапазоне энергий столкновений протонов», — подчёркивает профессор Кутак.
Итак, в столкновениях протонов энтропия в фазе, где доминируют взаимодействия кварков и глюонов, отличается от энтропии образующихся адронов, покидающих место столкновения?
Существующая формула Харзеева-Левина для энтропии предполагает, что нет, и это было подтверждено в работе профессора Кутака и его коллег. Это предположение и только что полученные результаты вызывают удивление на лицах одних физиков и загадочную улыбку на лицах других. С одной стороны, они кажутся нелогичными на первый взгляд, но, с другой стороны, они фактически являются следствием одной из самых фундаментальных особенностей квантовой механики — её унитарности.
Унитарность может звучать пугающе, но на самом деле это довольно интуитивное требование. Суть в том, что уравнения, описывающие эволюцию квантовой системы, её возможные переходы из более раннего состояния в более позднее, должны сохранять сумму вероятностей всех переходов (равную единице) и быть обратимыми. Другими словами, унитарность означает, что ни вероятность, ни информация не могут быть потеряны или созданы из ниоткуда.
«Унитарность квантовой механики — это то, о чём студенты-физики узнают на занятиях. Формализм квантовой хромодинамики, теории, описывающей мир кварков и глюонов, основан на унитарности», — отмечает профессор Кутак, подчёркивая, что благодаря унитарности полученный результат позволяет получить информацию об энтропии партонов в широком диапазоне энергий.
Дальнейшая проверка обобщённой дипольной модели станет возможной в начале следующего десятилетия, после завершения модернизации ускорителя LHC. Улучшенный детектор ALICE позволит проводить измерения в областях взаимодействия глюонов, которые плотнее, чем те, которые изучаются в настоящее время.
Данные с ускорителя Электрон-ионного коллайдера (EIC), который в настоящее время строится в Национальной лаборатории Брукхейвена в США, где электроны будут сталкиваться с протонами, также будут особенно ценными. Поскольку электроны являются элементарными частицами, такая конфигурация позволит изучить плотные глюонные системы в одиночных протонах.
Предоставлено Польской академией наук.