Детектор ATLAS зарегистрировал дисбаланс струй в ядерных столкновениях

Рис. 1. Рождение двух струй в столкновении двух протонов. Рисунок И. Иванова

Большой адронный коллайдер работает в режиме столкновений ядер свинца меньше месяца, но экспериментальные группы, собирающие и обрабатывающие данные, уже рапортуют о первых научных результатах. Недавно мы писали об обнаружении детектором ALICE эллиптического потока, который напрямую указывает на образование кварк-глюонной плазмы при столкновении ядер. А на днях появилась статья коллаборации ATLAS, которая зарегистрировала еще один эффект, характерный для кварк-глюонной плазмы, — гашение адронных струй. Статья доступна на сервере ЦЕРНа и принята к печати в журнал Physical Review Letters; см. также пресс-релиз о результатах этой работы на сайте детектора ATLAS.

Как рассказывается на страничке «Эксперименты на адронных коллайдерах», в типичном столкновении двух протонов очень большой энергии рождается много частиц с не слишком большими поперечными импульсами. Однако время от времени происходит жесткое столкновение двух кварков или глюонов из встречных протонов, в результате которого они разлетаются с большими поперечными импульсами. Из-за адронизации эти кварки порождают адронную струю — узконаправленный поток адронов с довольно большим поперечным импульсом. Причем из-за закона сохранения импульса должны рождаться как минимум две струи в противоположных направлениях (см. рис. 1), чтобы их поперечные импульсы скомпенсировались — ведь суммарный поперечный импульс сталкивающихся частиц был близок к нулю.

Рис. 2. Продираясь сквозь плотную кварк-глюонную плазму, кварк теряет энергию и дает на выходе ослабевшую, «погашенную» струю. Изображение из статьи arXiv:0902.2011

Однако если речь идет о рождении струй в столкновении ядер, а не протонов, ситуация меняется. Тяжелые ядра намного больше протонов, и в момент их столкновения на короткое время возникает облачко горячей и плотной материи, состоящей из кварков и глюонов — кварк-глюонная плазма. Два кварка, получившие большой поперечный импульс — зачатки будущих струй, — вынуждены на своем пути продираться сквозь плазму, теряя из-за этого свою энергию. В результате на выходе из облачка кварк «ослабеет», а порожденная им струя будет нести меньший поперечный импульс. Это явление называется подавлением, или гашением, струи (jet quenching).

Если два кварка начали свое движение из центра кварк-глюонного облачка, то они потеряют примерно одинаковую долю своей энергии и породят одинаково ослабевшие струи. Однако если они родятся вблизи самой границы облачка, то ситуация получится сильно несимметричная. Один кварк тут же вылетит наружу и породит мощную струю, а второй будет вынужден продираться через всю толщу кварк-глюонной плазмы (см. рис. 2). Плотная среда тормозит кварк, отбирая у него энергию, и порожденная им струя будет намного слабее. Может даже статься, что она вообще не будет опознана детектором как отдельная струя.

Именно такой дисбаланс между двумя струями и обнаружила коллаборация ATLAS. Было найдено, что дисбаланс становился более выраженным в самых центральных столкновениях ядер и пропадал при периферическом столкновении, когда два ядра лишь чуть-чуть задевают друг друга краями. В отдельных случаях дисбаланс был настолько сильным, что одна струя с поперечным импульсом порядка 100 ГэВ компенсировалась не другой такой же струей, а просто широким потоком адронов с небольшим поперечным импульсом. Пример такого события показан на рис. 3. В принципе, гашение струй уже наблюдалось несколько лет назад на коллайдере релятивистских ядер RHIC, но там оно не было настолько бросающимся в глаза.

Рис. 3. Пример события с сильным дисбалансом поперечных импульсов двух струй. Слева показан вид детектора вдоль оси столкновений. Треки в центре — это реальные траектории частиц в трековом детекторе, а гистограммы по периметру показывают энергию, выделившуюся в калориметрах. Две трехмерных гистограммы справа (так называемые «лего-плоты») показывают энерговыделение и поперечный импульс на диаграмме «быстрота–угол». Видно, что очень узконаправленная струя компенсируется широким потоком адронов в противоположном направлении. Изображение из пресс-релиза коллаборации ATLAS

Само наличие таких событий (и их отсутствие в протонных столкновениях) лишний раз подтверждает, что в столкновении ядер действительно рождается не просто набор частиц, а облачко плотной материи. В будущем более детальные измерения эффекта гашения струй — вкупе с разнообразными другими эффектами — позволят подробнее изучить свойства кварк-глюонной плазмы.

В качестве введения в физику кварк-глюонной плазмы можно порекомендовать популярные статьи из Соросовского образовательного журнала: Кварк-глюонная плазма — новое состояние вещества и Кварки в ядрах. Более серьезное обсуждение на русском языке можно найти в статье И. М. Дрёмина и А. В. Леонидова Кварк-глюонная среда, опубликованной в журнале «Успехи физических наук».