Физики обнаружили новые свойства сильного взаимодействия, анализируя, что происходит, когда частицы, движущиеся со скоростью, близкой к световой, едва задевают друг друга.
Ускорители частиц раскрывают суть ядерной материи, сталкивая атомы почти со скоростью света. Столкновения с высокой энергией порождают поток субатомных фрагментов, которые учёные затем изучают, чтобы реконструировать основные строительные блоки материи.
Команда под руководством MIT использовала самый мощный в мире ускоритель частиц, чтобы обнаружить новые свойства материи благодаря «почти столкновениям» частиц. Этот подход превратил ускоритель частиц в своего рода микроскоп и привёл к открытию нового поведения сил, которые удерживают материю вместе.
В исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Physical Review Letters, команда сообщает о результатах, полученных на Большом адронном коллайдере (LHC) — массивном подземном ускорителе кольцеобразной формы в Женеве, Швейцария. Вместо того чтобы сосредоточиться на столкновениях частиц в ускорителе, команда MIT искала случаи, когда частицы едва задевали друг друга.
Как работают почти столкновения
Когда частицы движутся со скоростью, близкой к световой, их окружает электромагнитное гало, которое сплющивается, когда частицы проходят близко друг к другу, но не сталкиваются. Сплющенные энергетические поля производят чрезвычайно высокоэнергетические фотоны. Иногда фотон от одной частицы может отразиться от другой частицы, как интенсивный квантовый укол света.
Команда MIT смогла выделить такие почти столкновения, или то, что учёные называют «фотоядерными взаимодействиями», из данных о столкновениях частиц на LHC. Они обнаружили, что, когда некоторые фотоны отражались от частицы, они выбивали тип субатомной частицы, известной как мезон D0, который учёные могли измерить впервые.
Мезоны D0 — это субатомные частицы, которые содержат очарованный кварк, редкий тип кварка, обычно не встречающийся в обычной ядерной материи. Кварки — это фундаментальные строительные блоки всей материи, которые связаны глюонами, безмассовыми частицами, которые являются невидимым клеем, или «сильным взаимодействием», которое удерживает материю вместе. Редкие очарованные кварки могут быть созданы только при высоких энергиях. Таким образом, они предоставляют особенно чистый и однозначный способ изучения кварков и глюонов внутри ядра.
Благодаря измерениям мезонов D0 исследователи смогли оценить, насколько плотно упакованы глюоны и, по сути, насколько сильно сильное взаимодействие внутри ядра частицы.
«Наш результат указывает на то, что, когда ядерная материя сжимается, глюоны начинают вести себя странно, — говорит ведущий автор Джан Микеле Инноченти, доцент кафедры физики MIT. — Нам нужно знать, как эти глюоны ведут себя в этих экстремальных условиях, потому что глюоны удерживают Вселенную вместе. И на данный момент фотоядерные взаимодействия — это лучший способ изучить поведение глюонов».
Изучение фотоядерных взаимодействий
С каждым запуском Большой адронный коллайдер запускает тонкие, как игла, пучки частиц в противоположных направлениях по 27-километровому подземному кольцу. Когда лучи пересекаются, частицы могут столкнуться. Если столкновения происходят в области кольца, где установлен детектор CMS, детектор может зафиксировать столкновения, а учёные могут затем проанализировать последствия, чтобы реконструировать фрагменты, из которых состоят исходные частицы.
С момента начала работы LHC в 2008 году основное внимание уделялось обнаружению и анализу «лобовых» столкновений. Физики знали, что, ускоряя пучки частиц, они также будут создавать фотоядерные взаимодействия — события почти столкновений, когда частица может столкнуться не с другой частицей, а с облаком её фотонов. Но такие взаимодействия с лёгкими ядрами считались просто шумом.
«Эти фотоядерные события считались фоном, который люди хотели устранить, — говорит Инноченти. — Но теперь люди хотят использовать его как сигнал, потому что столкновение между фотоном и ядром может быть своего рода сверхточным микроскопом для ядерной материи».
Когда фотон отражается от частицы, обилие, направление и энергия произведённого мезона D0 напрямую связаны с энергией и плотностью глюонов в ядре. Если учёные могут обнаружить и измерить это фотонное взаимодействие, это будет похоже на использование чрезвычайно маленького и мощного фонарика для освещения ядерных структур. Но до сих пор предполагалось, что фотоядерные взаимодействия будет невозможно выделить среди различных физических процессов, которые могут происходить при таких столкновениях.
«Люди не думали, что можно убрать огромный беспорядок всех этих других столкновений, чтобы рассмотреть отдельные фотоны, попадающие в отдельные ядра, производящие мезон D0, — говорит Инноченти. — Нам пришлось разработать систему для распознавания этих очень редких фотоядерных взаимодействий во время сбора данных о столкновениях частиц».
Освещение очарования
Для своего нового исследования Инноченти и его коллеги сначала смоделировали, как будет выглядеть фотоядерное взаимодействие среди потока других столкновений частиц. В частности, они смоделировали сценарий, в котором фотон отражается от ядра и производит мезон D0. Хотя эти события редки, мезоны D0 являются одними из наиболее распространённых частиц, содержащих очарованный кварк.
Команда рассудила, что если они смогут обнаружить признаки очарованного кварка в мезонах D0, которые производятся при фотоядерном взаимодействии, это может дать ценную информацию о глюонах, которые удерживают ядро вместе.
С помощью своего моделирования исследователи разработали алгоритм для обнаружения фотоядерных взаимодействий. Они внедрили алгоритм в детектор CMS для поиска сигналов в режиме реального времени во время запусков LHC, сталкивающих частицы.
«Нам пришлось собрать десятки миллиардов столкновений, чтобы извлечь несколько сотен этих редких случаев, когда фотон попадает в ядро и производит одну из этих экзотических частиц — мезон D0, — объясняет Инноченти. — Из этого огромного набора данных команда идентифицировала чистую выборку этих редких событий, используя расширенные возможности детектора CMS для отбора событий почти столкновений и реконструкции свойств мезонов D0».
В ходе этого процесса команда обнаружила случаи производства мезонов D0, а затем работала над вычислением свойств очарованных кварков частиц и глюонов, которые удерживали бы их вместе в исходном ядре.
«Мы ограничиваем то, что происходит с глюонами, когда они сжимаются в ионах, которые очень велики и движутся очень быстро, — говорит Инноченти. — Пока наши данные подтверждают то, что люди ожидают от ядерной материи с высокой плотностью. На самом деле это первый раз, когда мы показали, что такой вид измерений возможен».
Команда работает над повышением точности измерений, чтобы получить более чёткое представление о том, как кварки и глюоны расположены внутри ядра.
«Глюоны — это очень сильная сила, которая удерживает Вселенную вместе, — говорит Инноченти. — Описание сильного взаимодействия лежит в основе всего, что мы видим в природе. Теперь у нас есть способ либо полностью подтвердить, либо показать отклонения от этого описания».
Эта работа была частично поддержана Министерством энергетики США, включая поддержку в рамках программы DOE Early Career Research Program, и опирается на вклад большой команды MIT, состоящей из аспирантов, студентов-исследователей, учёных и постдоков.
Документ: «Измерение фотопроизводства мезона D0 в ультрапериферийных столкновениях тяжёлых ионов».