Эксперимент ALICE измерил рождение чармония в ультрапериферических столкновениях ядер свинца

Понедельник, 06 мая 2019

Эксперимент ALICE, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), выпустил новую экспериментальную работу, посвященную рождению резонансов, состоящих из тяжелых кварков, в столкновениях ионов свинца высоких энергий. Особенность представленного измерения состоит в том, что исследовались частицы, которые рождались при взаимодействии между фотонами, испущенными одним ядром, и другим ядром как целым. Такие измерения помогают пролить свет на внутреннюю структуру атомных ядер и нуклонов.

Движущаяся заряженная частица создает вокруг себя электромагнитное поле, которое можно рассматривать как поток фотонов. Чем больше электрический заряд частицы, тем больше окружающая её «фотонная шуба». При столкновении встречных пучков, составленных из тяжелых ионов, эти фотоны тоже вносят свой вклад в рождение частиц. Электромагнитное взаимодействие по силе уступает взаимодействию сильному, которое ответственно как за формирование протонов и нейтронов из кварков, так и за связь протонов и нейтронов в ядре. Если не предпринимать дополнительных экспериментальных усилий, то проявление электромагнетизма потонет в море частиц, рожденных в сильных взаимодействиях составных частей атомных ядер. К счастью, физики научились выделять вклад от фотонной составляющей. Электромагнитное взаимодействие – дальнодействующее, поэтому эффективный размер фотонной шубы намного больше размеров атомных ядер. Исследователи специально выбирают так называемые ультрапериферические столкновения (УПС), при которых перекрытия ядерного вещества не происходит, и, либо фотоны, испущенные одним ионом, взаимодействуют с другим ионом, либо фотоны от двух ядер взаимодействуют друг с другом. Характерным примером УПС является упругое рассеяние фотонов, о котором мы недавно писали. Сегодня же речь пойдет о рождении тяжелых кварков в фотон-ядерном взаимодействии.

Фотон – это безмассовая элементарная частица, но он на короткое время может превратиться в кварк-антикварковую пару, которая в свою очередь может провзаимодействовать с ядром или его составными частями с образованием векторных мезонов (например, ρ или φ). На энергиях, доступных на БАК, можно рождать еще более тяжелые векторные мезоны (например, J/ψ и ψ’), состоящие из пары c-кварк–анти-c-кварк. Схематично процесс рождения такой частицы в фотон-ядерном взаимодействии приведен на рисунке 1: фотон на короткое время расщепляется на пару c-кварк–анти-c-кварк, эти кварки взаимодействуют с глюонами (частицами-переносчиками сильного взаимодействия) ядра и образуют J/ψ. При малых переданных импульсах фотон взаимодействует с ядром как целым, и при этом вероятность рождения J/ψ частиц несет в себе информацию о распределении глюонов в атомных ядрах. Использование этого подхода стало возможным благодаря пионерской работе сотрудника Отделения теоретической физики НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ М.Г. Рыскина.

J/ψ регистрируют по распаду в пару μ+μ. Чтобы экспериментально выделить события рождения J/ψ мезонов в УПС, нужно найти такие события-кандидаты, для которых в детекторе, кроме треков от мюон-антимюонной пары не было бы зарегистрировано никаких других частиц. Такие события довольно редки и необычны. Для их записи на диск требуется разработка специальных правил онлайн-отбора полезных событий (так называемый триггер). На рисунке 2 представлено массовое распределение по массе μ+μ-пары для событий, прошедших этот онлайн-отбор, а также дополнительные критерии отбора на стадии оффлайн-анализа данных. В распределении хорошо виден пик, соответствующий распадам J/ψ→μ+μ.

Физики эксперимента ALICE определили вероятность (сечения) рождения J/ψ для различных быстрот этих мезонов (релятивистский аналог скорости частиц). Зная сечение рождения J/ψ, можно измерить плотность глюонов в ядрах и определить отличие этой величины от плотности глюонов в свободных нуклонах. Таким образом, распределение по быстроте можно использовать для определения оптимальных параметров теоретических моделей. На рисунке 3 показано сравнение экспериментальных результатов с теоретическими предсказаниями (некоторые из которых сделаны теоретиками НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ). Различные теоретические модели по-разному оценивают распределения глюонов в ядре, а также по-разному учитывают динамику взаимодействия фотонов с ядрами. Полученные экспериментальные результаты значительно расширяют наши знания в этой области.

Сотрудники Лаборатории релятивисткой ядерной физики (ЛРЯФ) ОФВЭ НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ внесли определяющий вклад в эти исследования. Они принимали активное участие в создании, вводе в эксплуатацию и обслуживании мюонного спектрометра эксперимента ALICE. Специалисты ЛРЯФ разработали и внедрили триггер для УПС-событий, внесли решающий вклад как в анализ данных, так и в интерпретацию полученных результатов.

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт