Пресс-центр

Измерения на БАК могут пролить свет на устройство нейтронных звезд

Взаимодействие гиперонов (странных барионов, содержащих в своем составе s-кварк) с обычными нуклонами (протонами и нейтронами) еще не до конца экспериментально изучено. Знание свойств такого взаимодействия важно для понимания процессов, протекающих внутри нейтронных звезд. Эксперимент ALICE, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), выпустил новую экспериментальную работу, в которой впервые измерил силу притяжения между протоном и Ξ^– гипероном. Используя взаимодействие ультрарелятивистских протонов и ионов свинца, физикам удалось измерить эффекты, протекающие на энергетических масштабах на порядки меньше, чем энергия взаимодействия сталкивающихся на БАК частиц.

БАК – ускоритель, разгоняющий пучки протонов до гигантских энергий, на четыре порядка больше, чем масса протона, если выразить её в единицах энергии (ведь, E = mc²). Масса протона чуть меньше 1 ГэВ, а энергия, доступная на БАК, – 13000 ГэВ. Тем не менее на этом ускорителе можно изучать феномены, протекающие при энергиях порядка нескольких МэВ (1 ГэВ = 1000 МэВ), например, сильное взаимодействие элементарных частиц. Недавно эксперимент ALICE выпустил новую работу, в которой впервые измерил силу притяжения между протонами, которые состоят из трёх кварков (uud) и Ξ^– гипероном (ssd).

Несмотря на то, что Ξ^– частицы были открыты более полувека назад, притягиваются ли они протонами или отталкиваются, было доподлинно неизвестно. Казалось бы, ответ должен быль однозначным, ведь электрический заряд протона положителен, а Ξ^– отрицателен и в силу закона Кулона (электромагнитное взаимодействие) они должны притягиваться. Однако, когда частицы приближаются ближе друг к другу, начинает действовать сильное взаимодействие. Оно ответственно за формирование частиц из кварков, а также проявляет себя, когда такие частицы находятся на малых расстояниях. Именно оно удерживает протоны и нейтроны в ядрах.

Ξ^– – частица нестабильная, она распадается за время порядка 10^-10 с. Создать пучки таких частиц не представляется возможным. Для того чтобы измерить взаимодействие между протонами (p) и Ξ^–, физики ALICE использовали феномен взаимодействия в конечном состоянии (ВКС). Они изучали такие события столкновений пучков протонов с пучками ионов свинца, в которых рождались (и детектировались экспериментальной установкой) p и Ξ^– частицы, которые летели близко друг к другу (их относительный импульс был меньше 200 МэВ). Цифра 200 МэВ смущать не должна, ведь относительная кинетическая энергия (T) рассчитывается по формуле T = p²/2m и составляет всего 10 МэВ. Чтобы измерить ВКС в p-Ξ^– системе, физики измеряли так называемую корреляционную функцию – С(k^*), где k^* – относительный импульс двух частиц. Корреляционная функция представляет отношение распределений по k^* для всех p-Ξ^– пар, рожденных в одном элементарном взаимодействии частиц встречных пучков, к такому же числу специально сконструированных событий, для которых протон и Ξ^– брались из разных соударений (т.е. не могли быть участниками ВКС). Если между частицами действует сила притяжения, то вероятность найти две такие частицы с малыми относительными импульсами больше, а, значит, корреляционная функция превышает единицу в области малых k^*. Именно такую зависимость и наблюдали физики ALICE (см. рисунок 1), но наблюдаемый эффект оказался больше, чем предсказывается расчетами, включающими только кулоновское притяжение частиц. Данные позволяют сделать вывод о наличии дополнительного притяжения между p и Ξ^–, обусловленного сильным взаимодействием.

Полученный результат может пролить свет на внутреннее устройство таких необычных объектов как нейтронные звезды. Эти объекты образуются в результате вспышек сверхновых. Их масса сравнима с массой нашего Солнца, но радиусы всего лишь порядка 10 км. Фактически, нейтронная звезда – огромный кусок ядерной материи, а плотность в ее центре в несколько раз превосходит плотность атомного ядра. При этом гравитационные силы так сжимают нейтроны внутри звезды, что им может становиться энергетически выгодно превращение в другие барионы, в том числе в протоны и в Ξ^–. Знание потенциала взаимодействия в системе p-Ξ^– поможет рассчитать влияние такого эффекта на характеристики нейтронных звезд.

Сотрудники Лаборатории релятивисткой ядерной физики (ЛРЯФ) ОФВЭ НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в эксперименте ALICE на БАК.