15 декабря 2020

Эксперимент ALICE в ЦЕРН изучает кварк-глюонную плазму с помощью тяжелых адронов

ЦЕРН ЦЕРН

В ноябре эксперимент ALICE, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), выпустил сразу несколько экспериментальных работ, посвященных изучению кварк-глюонной плазмы (КГП) – фазового состояния вещества, в котором находилась наша Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва. Новые свидетельства существования КГП получены при помощи тяжелых адронов.

В первые мгновения после Большого взрыва наша Вселенная была так горяча, что адроны (связанные состояния кварков) просто не могли сформироваться. Горячая плотная материя, состоящая из кварков и глюонов получила названиекварк-глюонной плазмы (КГП). Несмотря на прогресс развития теории сильного взаимодействия, свойства КГП еще до конца не изучены.

Экспериментальное исследование свойств КГП сопряжено с некоторыми сложностями. Во-первых, для того, чтобы получить для изучения этот объект, необходимо сталкивать тяжелые ионы сверхвысоких энергий, а это требует построения огромных ускорительных установок. Во-вторых, сгусток КГП, образовавшийся при таком взаимодействии, живет чрезвычайно короткое время, а значит изучать этот феномен можно лишь по «остаточным» явлениям путем сравнения наблюдаемых с модельными расчётами. Одной из таких важных наблюдаемых являются так называемые факторы ядерной модификации (RAA) – выходы частиц в ядро-ядерных взаимодействиях, отнесенные к выходам тех же частиц в элементарных нуклон-нуклонных столкновениях, отнормированных на расчетное число этих элементарных столкновений. В частности, величина RAA показывает влияние эффектов торможения кварков и глюонов в образовавшейся КГП.

Для изучения факторов ядерной модификации используют различные частицы. Недавно эксперимент ALICE, который проводится на БАК, выпустил несколько научных работ, в которых изучалось поведение RAA, измеренных для тяжелых адронов (таких, в состав которых входят c- или b-кварки).

В первой работе измерения проводились для взаимодействия ядер ксенона. В этом исследовании все тяжелые адроны регистрировались «в навал» по мюонным распадам. Если для самых центральных событий фактор ядерной модификации порядка 0.4, то при значении параметра центральности 40-60% RAA уже примерно равен 0.8. Ранее экспериментаторы проводили подобные измерения для более тяжелых ядер свинца. Для них наблюдалось примерно такое же подавление RAA. Сравнение результатов позволяет исследовать свойства образовавшейся среды в зависимости от размера системы.  

Другой недавно представленной интересной работой эксперимента ALICE сталоизмерение рождения Υ-резонансов в столкновении ультрарелятивистских ядер свинца. Υ-резонансы – это связанные состояния b-кварка и анти-b кварка. Из-за большой массы b такие резонансы в основном рождаются в жестких взаимодействиях глюонов на самых ранних стадиях столкновений тяжелых ионов. Они позволяют проследить все этапы эволюции образовавшейся системы. Ранее CMS – другой эксперимент, работающий на БАК, уже измерял вылет этих резонансов в центральной области (большие углы). Теперь исследования проведены в области малых углов.

Физики ALICE построили факторы ядерной модификации для зарегистрированных Υ-резонансов. Эти результаты очень важны для теоретического описания КГП. Экспериментаторы сравнили полученные факторы ядерной модификации с предсказаниями двух групп моделей: гидродинамической, описывающей образовавшийся объект на базе коллективного подхода, и транспортной, учитывающей микроскопические аспекты феномена. В будущем улучшение точности подобных измерений, связанное с увеличением статистики, позволит существенно ограничить пространство параметров этих моделей.

В заключении следует отметить, что сотрудники Лаборатории релятивисткой ядерной физики Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ принимают активное участие в работах по изучению феномена КГП. Специалисты ЛРЯФ стояли у истоков открытия этого фазового состояния материи, сделанного на рубеже веков экспериментами релятивистского ионного коллайдера RHIC. Сейчас сотрудники лаборатории являются полноправными участниками и соавторами всех научных работ эксперимента ALICE. Приборным вкладом нашего Института в эксперимент ALICE является участие в производстве камер мюонного спектрометра, который использовался в этих измерениях.