Эксперимент физиков из ЦЕРН позволил рассмотреть поведение глюонов внутри атомных ядер с беспрецедентной точностью. При сверхвысоких плотностях эти элементарные частицы переставали размножаться и начинали объединяться. Это помогло найти подтверждение теории «глюонного насыщения», а не принятого «ядерного затенения» для определенного диапазона сверхвысоких энергий.
Кварки часто называют фундаментальными строительными блоками материи. Но почти вся масса видимой Вселенной исходит из энергии глюонов. Эти элементарные частицы переносят так называемое сильное взаимодействие. Оно намертво склеивает кварки вместе внутри протонов и нейтронов. Изучение коллективного поведения глюонов — важная задача современной физики.
Ученые знают, что при повышении энергии плотность глюонов внутри ядра стремительно растет. Но этот рост не может быть бесконечным. Теория квантовой хромодинамики давно предсказывала явление «насыщения»: в какой-то момент глюоны упаковываются так плотно, что их способность множиться тормозится и они начинают сливаться друг с другом.
Долгие годы физикам не удавалось подтвердить эффект на практике. Результаты экспериментов можно было объяснить и альтернативной теорией — «ядерным затенением», при котором глюоны просто перекрывают друг друга, как слои облаков.
Международная коллаборация ALICE попыталась поставить точку в этом споре. Исследование проводили на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН. Результаты исследования опубликовали в журнале Physical Review Letters.
Ученые заставляли ядра свинца пролетать очень близко друг к другу на околосветовых скоростях. Сильнейшие электромагнитные поля летящих ядер действовали как пучки фотонов высоких энергий. Когда фотон ударялся о соседнее ядро, возникала короткоживущая частица под названием J/ψ («джей-пси»).
Измеряя параметры рождения таких частиц, физики смогли рассмотреть отдельные плотные сгустки глюонов. Размеры этих «горячих точек» были в несколько раз меньше одного протона. По словам ученых, эксперимент сработал как сверхмощный микроскоп с настраиваемым фокусом.
Исследователи провели замеры в широком диапазоне энергий — от 20 до 633 миллиардов электронвольт. Результаты их поразили: на самых мелких масштабах при максимальных энергиях частота рождения частиц J/ψ неожиданно резко снижалась. Уровень статистической значимости этого отклонения составил три сигмы — значит, уверенность ученых составляет 99,7%.
Эффект подавления не помог описать традиционный механизм «ядерного затенения», который успешно справлялся с более ранними данными. Зато график идеально совпал с математическими моделями «глюонного насыщения». При таких колоссальных энергиях глюоны в ядре свинца упакованы настолько плотно, что начинают сильно взаимодействовать друг с другом, сделали вывод ученые. Это физически ограничивает появление новых частиц в заданном объеме.
В итоге эксперимент впервые позволил различить две конкурирующие теории строения атомного ядра в экстремальных условиях. Физики получили подтверждение процесса насыщения глюонов.
Это приближает науку к разгадке того, как именно сильное взаимодействие формирует структуру и массу окружающего нас мира. Сами авторы научной работы отметили, что для окончательного понимания природы квантовых флуктуаций понадобятся новые расчеты и сбор данных в других энергетических диапазонах.
По информации
Обозрение Николая Никитина "Неизбежность странного микромира"
