Физика

На БАК измерили сильное взаимодействие между протонами и редкими гиперонами

На БАК измерили сильное взаимодействие между протонами и редкими гиперонами

ALICE CERN, 2020

Данные эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере по протон-протонным столкновениям использовали для измерения сильного взаимодействия между протонами и двумя типами гиперонов — частиц из трех кварков, один из которых является странным. Новые наблюдения превзошли предыдущие исследования по точности и диапазону наблюдения, а в будущем использованный метод позволит лучше изучить сильное взаимодействие короткоживущих адронов. Это может помочь физикам не только в поиске связанных состояний экзотических частиц, но и в понимании структуры нейтронных звезд. Статья опубликована в журнале Nature.

Почти вся видимая материя во Вселенной состоит из нуклонов (протонов и нейтронов), которые, в свою очередь, являются барионами — частицами из трех кварков. Кварки в таких структурах связывает сильное взаимодействие, которое реализуется посредством обмена глюонами — бозонами-переносчиками сильного взаимодействия. Это же взаимодействие приводит к возникновению остаточной силы, которая связывает друг с другом и сами нуклоны: таким образом образуется дейтрон (связанное состояние нейтрона и протона) и все остальные атомные ядра. Сильное нуклон-нуклонное взаимодействие можно изучать в экспериментах по рассеянию нуклонов друг на друге, а для теоретического описания подобных явлений существует квантовая хромодинамика.

Сильное взаимодействие друг между другом могут испытывать не только нуклоны, но и другие барионы, к примеру, гипероны — частицы из трех кварков, один из которых должен быть странным. Хоть гипероны по своей структуре и очень похожи на повсеместно встречающиеся протоны и нейтроны, время их жизни не превышает наносекунду (хоть это и достаточно долго для микромира), а их масса существенно больше, чем у нуклонов, за счет наличия в их составе тяжелого s-кварка. Последняя особенность на руку теоретикам: существующие теоретические предсказания взаимодействия гиперонов с нуклонами и друг с другом на основе квантовой хромодинамики обладают малыми погрешностями, так как подобные решения оказываются более стабильными для кварков с большей массой.

Экспериментально сильное взаимодействие между гиперонами и нуклонами в основном изучалось в экспериментах с их связанными состояниями, ведь время жизни и частота рождения этих экзотических частиц затрудняет эксперименты по изучению рассеяния гиперонов на нуклонах и друг на друге. Однако в последние годы с развитием фемтоскопии стали возможны эксперименты, в которых взаимодействие нуклонов и гиперонов изучают в столкновениях релятивистских частиц (ядер или протонов). В этом случае взаимодействие пары частиц, рождающихся в области столкновения, изучают по корреляционным функциям сечений вылета пар частиц с определенной разностью импульсов. Нуклон (в существующих экспериментах — протон) и гиперон в таких экспериментах успевают провзаимодействовать до того, как распадется гиперон, а высокая точность определения импульсов протона и продуктов распада гиперона позволяет оценить силу и продолжительность взаимодействия частиц.

Больших успехов в этой области достигла коллаборация STAR в экспериментах по столкновению ядер золота при энергии 200 гигаэлектронвольт на нуклон, но из-за большого размера сталкивающихся частиц большой была и область, из которой вылетали протоны и гипероны: ее диаметр составил 3-5 фемтометра. Как мы знаем из принципа неопределенности, больший разброс в расстоянии ведет к меньшему разбросу в импульсе: в результате сильное взаимодействие гиперонов и протонов было исследовано при относительном импульсе пары частиц до 40 мегаэлектронвольт на скорость света, что уменьшило чувствительность к сильным взаимодействиям частиц на расстояниях менее 1 фемтометра.

Уменьшить соответствующую неопределенность удалось ученым из коллаборации эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН. Из данных по протон-протонным столкновениям при энергии в системе центра масс в 13 тераэлектронвольт они получили корреляционные функции для пар из протона и омега-гиперона Ω− (самый редкий гиперон, состоящий из трех s-кварков), а также для пар из протона и кси-минус-гиперона Ξ− (который состоит из двух s-кварков и одного d-кварка). Для предсказания корреляционной функции использовалось нерелятивистское уравнение Шредингера. Физики выбрали такое приближение, так как соответствующий сильному взаимодействию относительный момент в условиях эксперимента не превышает 200 мегаэлектронвольт на скорость света, что с высокой точностью соответствует нерелятивистскому случаю. Присутствие в событии омега-гиперона отслеживалось по продуктам его слабого распада на К−мезон и Λ-барион, последний из которых в дальнейшем распадался на π−мезон и протон.

Схема входящий в корреляционную функцию факторов. S(r*) — распределение расстояния между рождающимися частицами, ψ(k*, r*) — волновая функция пары частиц, ξ(k*) — корректировка экспериментальных факторов, N — число пар с определенным относительным импульсом в одном событии (числитель) и в разных событиях (знаменатель).

ALICE CERN, 2020

В результате исследователям удалось получить корреляционные функции для взаимодействия протона с Ξ− и Ω− в интервале относительного импульса от 0 до 300 мегаэлектронвольт на скорость света, размер области вылета частиц составил 1,02 ± 0,05 фемтометра для пар p—Ξ− и 0,95 ± 0,06 фемтометра для пар p—Ω−. Отличия в полученных значениях могут быть следствием коллективных эффектов при столкновении протонов, таких как анизотропный поток. Общая картина корреляционной функции для пары p—Ξ− совпала с предсказаниями решеточной модели HAL QCD, которая использует фундаментальные принципы квантовой хромодинамики для вычисления потенциалов сильного взаимодействия адронов (частиц, состоящих из кварков). Особенно важным результатом является малая погрешность полученных результатов: этого удалось добиться благодаря тому, что поперечные импульсы рожденных частиц на ALICE измеряются с погрешностью менее процента.

Экспериментально полученные корреляционные функции и теоретические предсказания. Зеленый цвет – электро-магнитное притяжение, остальное – предсказания HAL QCD. Сверху – данные для кси-минус-гиперона, снизу – для омега-гиперона.

ALICE CERN, 2020

Измерения корреляционной функции для пары p—Ω−, однако, не полностью совпали с теоретическими предсказаниями: в измеренной на эксперименте зависимости физики не нашли характерную «яму», отвечающую за возможное связанное состояние протона и омега-гиперона. Ученые надеются изучить этот вопрос подробнее после апгрейда Большого адронного коллайдера и самого эксперимента ALICE, который позволит набрать больше статистики за счет увеличения светимости установки. Но и полученные результаты показали, что современные возможности фемтоскопии на таких экспериментах как ALICE позволят в будущем лучше изучить сильные взаимодействия между короткоживущими адронами. Это, в свою очередь, важно не только для поиска экзотических связанных состояний гиперонов, но и для астрофизики: мы до сих пор не знаем, что из себя представляют центральные области нейтронных звезд, и сильные взаимодействия нуклонов с гиперонами могут оказать большое влияние на их структуру.

На гиперонах не заканчивается разнообразие барионов и их возбужденных состояний, и физики продолжают открывать новые частицы: так, год назад на БАК обнаружили два новых возбужденных состояния прелестного лямбда-бариона, а двумя годами ранее там нашли еще пять новых очарованных состояний.

Источник

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть