Сталкновение ядер в детекторе STAR (Colliding nuclei in the STAR detector)

Столкновение пар ионов меди производит значительно большее количество странных кварков на нуклон, чем пары гораздо более больших атомов золота. Об этом говорит удивительное открытие физиков, работающих на коллайдере тяжелых релятивистских ионов (RHIC — Relativistic Heavy Ion Collider) в Брукхейвенской национальной лаборатории в США. Это дает дополнительную поддержку коронарной ядерной модели на высоких энергиях столкновения и могло бы пролить дополнительный свет на кварк-глюонную плазму - состояние вещества, возможно существовавшее в очень ранней Вселенной.

Кварки, как правило, связаны глюонами в частицах, таких как протоны и их сталкивают при высоких энергиях, чтобы создать представление о свободных кварках. Если большие ядра, такие как ядра золота или свинца разбивают вместе при достаточно высоких энергиях, то в результате ожидают получить суп из свободных кварков и глюонов называемый кварк-глюонной плазмой. В дополнение к улучшению нашего понимания мощной силы, которая связывает кварки вместе, кварк-глюонная плазма, как полагают, обеспечивает микроскопическуюя картину очень ранней Вселенной.

При столкновении тяжелых ядер на RHIC, они порождают огненный шар, который рассеивает значительную часть своей энергии за счет создания новых частиц. Некоторые из этих частиц содержат странные кварки - легчайшие из экзотических кварков - и относительно большое количество странных кварков производимых в столкновении может подразумевать наличие кварк-глюонной плазмы. Это потому, что свободный кварк в плазме ведет себя так, будто он легче, чем кварк, заключенный в нуклоне, а это эффективное снижение массы означает, что генерация странных кварков не требует столько много энергии. По этой причине, охотники за кварк-глюонной плазмой, обращают пристальное внимание на количество странных кварков, которые возникают в столкновениях частиц– их число должно быть больше, чем ожидалось, если получилась бы плазма.

Что-то странное с медью

Когда пытаются создать кварк-глюонную плазму, как правило, считали, что чем больше ядра, тем лучше. Таким образом, на RHIC обычно сталкивают ионы золота, а на большом адронном коллайдере (LHC) разбивают ядра свинца. Но теперь, физиками коллаборации STAR на RHIC было установлено, что столкновения медь-медь производят от 20% до 30% больше странных кварков на нуклон, чем их золото-золото аналоги. Последнее исследование включает в себя около 40 миллионов медь-медь столкновений и 20 миллионов золото-золото столкновений, которые проводились при энергии 100 ГэВ на нуклон.

Ионы меди, содержат в общей сложности 63 нуклона - протонов 29 и 34 нейтрона. Если их столкновения производят больше странных кварков, чем 63 протон-протонных столкновения при той же энергии, то это называется «приростом странности», которое может быть свидетельством того, что при столкновении создана кварк-глюонная плазма.

Существует, однако, альтернативное объяснение того, почему сталкивающиеся ионы меди производят больше кварков, чем протоны. Не исключено, что производство странных адронов (частиц, содержащих странные кварки), подавляются в протон-протонных столкновений в силу требования, чтобы странность должна быть сохранена. Правила сохранения требуют, чтобы для каждого странного кварка, должна быть произведена его антивещественная версия (антистранный кварк). В столкновениях с участием меньших ядер, где меньше частиц генерируется, сложность образования дополнительных антистранных кварков означает, что частицы, содержащие два или более странных кварка труднее создать.Такое ограничение снижает количество странных кварков, образующихся в среднем в протон-протонных столкновениях.

Миндалевидные столкновения

Исследователи сравнили столкновения золота и меди с одинаковым числом «участвующих» нуклонов. Из-за того, что золото имеет 197 нуклонов, что намного больше, чем медь, ядра золота ударялись в бок друг другу, а не лоб в лоб, чтобы получить столкновение между 126 нуклонами или меньше - количество участвующих нуклонов, когда два медных ядра сталкиваются. Это приводит к миндалевидной коллекции из протонов и нейтронов, а не более круговой как при лобовом столкновении ядер меди.

«Каноническая картина говорит, что усиление странности должно просто зависеть от количества участников», говорит Энтони Тимминс (Anthony Timmins), сотрудник из коллаборации STAR в Университете Хьюстона. Но если бы это было правдой, то столкновения ядер меди не получались бы значительно более странными, чем столкновения ядер золота.

В качестве альтернативы, в коллаборации предполагают, что коронарная модель ядра описывает данные наилучшим образом. В этой картине, сталкивающиеся нуклоны образуют ядро кварк-глюонной плазмы окруженное обычными нуклон-нуклонными столкновениями. Относительно компактное столкновение ядер меди собирает свою энергию в меньшем пространстве, а это означает, что больше нуклонов присоединиться к кварк-глюонной плазме и произведут странные кварки. Между тем, больше нуклонов в миндалевидных золотых ударах в бок теряются в короне, создавая таким образом меньше странных кварков.

Другие частицы получают поддержку

Анета Иорданова (Aneta Iordanova), бывший сотрудник коллаборации STAR, которая в настоящее время работает в Университете Калифорнии, Риверсайд, особенно заинтересована тем, что другие частицы - без странных кварков - также получаются в большем количестве в лобовом столкновении ядер меди по сравнению со столкновениями ядер золота. «Если частицы, образующиеся в области ядра преобладают над частицами производенными в целом, то увеличение количества всех частиц,- странные они или нет - ожидаемо», говорит она.

Федерико Антинори (Federico Antinori), физический координатор эксперимента ALICE на большом адронном коллайдере в ЦЕРН в Женеве, Швейцария, называет это «бонус» для корональной модели ядра. «Это не окончательное доказательство, но интересно отметить, что эта модель хорошо объясняет данные», говорит он. Сотрудники коллаборации ALICE представили свой первый взгляд на частицы, содержащие несколько странных кварков образующиеся при свинец-свинец столкновениях в прошлом году, и, несмотря на то, что количественное сравнение с коронарной моделью ядра до сих пор не сделано, он отмечает, что поведения качественно похожи.

Это исследование будет опубликовано в журнале Physical Review Letters , а препринт доступен на ArXiv .

Об авторе

Кейт МакАльпайн (Kate McAlpine), Великобритания.

Перевод: Олег Кириллов