Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Л. Краусс
«Страх физики». Глава из книги


И. Акулич
Идеальный почтовый индекс


А. Бердников
Интерференция в домашних условиях. Плёнки и антиплёнки


Интервью с Л. Марголисом
Леонид Марголис: «Мне всегда было интересно, как клетки разговаривают друг с другом»


А. Иванов
Сибирь и Северная Америка были единым целым более миллиарда лет назад


П. Амнуэль
Одиночество во Вселенной


Р. Фишман
Детективы каменного века


О. Макаров
Животные, которые дарят надежду


Б. Штерн
Шкловский — 100


А. Деревянко, М. Шуньков
Откуда пришел Homo sapiens?







Главная / Новости науки версия для печати

Тяжелые мезоны по-разному плавятся в кварк-глюонной плазме


Рис. 1. Мезоны погруженные в горячую кварк-глюонную плазму, плавятся, причем температура плавления зависит от размера мезона. Компактные мезоны из ипсилон-семейства, например Υ(1S), плавятся при гораздо более высокой температуре, чем более крупные возбужденные состояния. Адаптированный рисунок со страницы caaubin.people.wm.edu/Phys771/Handouts/handouts.html
Рис. 1. Мезоны погруженные в горячую кварк-глюонную плазму, плавятся, причем температура плавления зависит от размера мезона. Компактные мезоны из ипсилон-семейства, например Υ(1S), плавятся при гораздо более высокой температуре, чем более крупные возбужденные состояния. Адаптированный рисунок с этой страницы

Если взять атомное ядро и нагреть его выше критической температуры, равной примерно 2 трлн градусам (175 МэВ в энергетических единицах), ядерная материя превратится в особое состояние вещества — кварк-глюонную плазму. В этом состоянии уже нет отдельных протонов и нейтронов, а есть лишь кварки и глюоны, свободно гуляющие по всему объему плазмы. Это очень необычное состояние материи, которое одинаково интересно и теоретикам, и экспериментаторам. Первые благодаря нему развивают новые математические подходы к изучению сложных систем с сильной связью, а вторые получают возможность увидеть ядерную физику — со всеми ее многочисленными приложениями — в новом свете.

В эксперименте облачко кварк-глюонной плазмы можно создать на очень короткое время в лобовом столкновении двух тяжелых ядер с большой энергией. Такие исследования вот уже десять лет ведутся на американском Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), а в прошлом году в игру вступил и Большой адронный коллайдер. В ноябре 2010 года на LHC происходили столкновения ядер свинца с энергией 287 ТэВ (то есть 1,38 ТэВ в расчете на каждый протон и нейтрон), и накопленная за тот месяц статистика до сих пор изучается экспериментальными группами. Время от времени коллаборации публикуют результаты этих анализов, которые один за другим вскрывают интересные особенности кварк-глюонной плазмы.

Мы уже подробно описывали некоторые из этих результатов, например измерение эллиптического потока коллаборацией ALICE и сильный дисбаланс адронных струй, зарегистрированный детектором ATLAS. Оба этих измерения убедительно доказывают, что кварк-глюонная плазма — это самая настоящая сплошная среда, в которой есть коллективные потоки вещества. А на днях в архиве электронных препринтов появилась статья коллаборации CMS, в которой описывается еще один, гораздо более тонкий, эффект кварк-глюонной плазмы — «плавление» тяжелых мезонов.

Семейство ипсилон-частиц

В этой работе речь идет о рождении и распаде частиц из семейства ипсилон-мезонов (обозначаются греческой буквой Υ), о которых стоит рассказать чуть подробнее. Это тяжелые мезоны с массой около 10 ГэВ, состоящие из «прелестного» кварка (b) и его же антикварка (то есть связанные b-анти-b-состояния). На замысловатом физическом жаргоне такие состояния называются боттомониями (от англ. bottom, одного из названий b-кварка), или — несколько более поэтично — «мезонами со скрытой прелестью» (beauty «прелестный» — другое его название).

В некоторых отношениях эти мезоны отдаленно напоминают обычные атомы. Прелестный кварк и его антикварк притягиваются друг к другу почти по закону Кулона, только вызвано это притяжение не электрическими силами, а сильным взаимодействием. У связанного состояния (то есть у Υ-частицы) есть энергия связи, которая намного меньше энергии покоя самих кварков, из-за чего кварки движутся относительно друг друга с нерелятивистскими скоростями. И наконец, у семейства Υ-частиц есть своя спектроскопия: кварки могут по-разному располагаться относительно друг друга, а значит, образовывать разные уровни энергии. Физики тут даже пользуются стандартной классификацией энергетических уровней, принятой в химии: основное состояние называется 1s-состоянием, Υ(1S), радиально-возбужденные состояния — Υ(2S), Υ(3S) и так далее. Имеются также и орбитально-возбужденные уровни энергии, и состояния с другим спином, которые, впрочем, уже обозначаются иными буквами. В физике элементарных частиц каждое такое возбужденное состояние, в отличие от атомной физики, считается отдельной частицей. На рис. 2 на диаграмме энергетических уровней показаны несколько частиц из этого семейства.

Для дальнейшего рассказа полезно отметить, что так же, как и в случае атомов и их возбужденных состояний, ипсилон-мезоны обладают разными размерами и энергиями связи. Основное состояние, Υ(1S), довольно компактно (его радиус примерно 0,2 фемтометра) и имеет большую энергию связи, а возбужденные состояния имеют больший размер (0,4–0,5 фм), и кварки в них связаны слабее.

Рис. 2. Уровни энергии b-кварк-антикварковой пары. Каждый уровень энергии отвечает своей частице; три состояния, обсуждаемые в этой заметке, выделены желтым цветом. Изображение с сайта caaubin.people.wm.edu/Phys771/Handouts/handouts.html
Рис. 2. Уровни энергии b-кварк-антикварковой пары. Каждый уровень энергии отвечает своей частице; три состояния, обсуждаемые в этой заметке, выделены желтым цветом. Стрелки показывают различные пути спонтанных переходов между разными состояниями: прямые распады между Υ-мезонами идут с испусканием легких адронов, а перескоки между Υ и χb-состояниями сопровождается излучением фотона. Изображение с сайта

Аналогия с атомной спектроскопией касается не только строения, но переходов между разными энергетическими уровнями в семействе ипсилон-частиц. Как и в атомах, возбужденные уровни энергии могут переходить на более низкие уровни, излучая при этом фотон (в физике частиц такие превращения называются радиационными распадами мезонов, некоторые из них показаны на рис. 2). Однако у кварк-антикварковых состояний есть своя особенность, которой нет в атомах: кварк и антикварк могут проаннигилировать, превратившись в пару легких частиц, например в мюон-антимюонную пару Υ → μμ+ или в пару пи-мезонов Υ → ππ+. Именно такие распады наиболее удобны для измерения энергетических уровней (то есть масс ипсилон-мезонов) в детекторах.

Рис. 3. Спектроскопия боттомониев, наблюдающаяся в их распадах на π–π+-пары. Изображение с сайта www.pnnl.gov
Рис. 3. Спектроскопия боттомониев, наблюдающаяся в их распадах на ππ+-пары. Изображение с сайта

На рис. 3 показан «спектр» ипсилон-системы в распаде на ππ+-пары. Эти распады наблюдались и на Большом адронном коллайдере уже буквально в первые недели работы; пики, отвечающие Υ(1S), Υ(2S) и Υ(3S), хорошо видны на графике, приведенном на странице Результаты работы LHC в 2010 году.

Ипсилон-мезоны в кварк-глюонной плазме

Описанные выше свойства касались ипсилон-мезонов в вакууме. Однако при столкновении ядер высокой энергии прелестные кварки рождаются и пытаются объединяться в мезоны не в пустоте, а прямо внутри кварк-глюонной плазмы. И тут оказывается, что плазма влияет на этот процесс самым непосредственным образом — она мешает b-кваркам объединяться в ипсилон-мезоны. С точки зрения детектора это приводит к нехватке ипсилон-мезонов по сравнению с другими частицами.

Объяснить этот эффект нетрудно. Прелестные кварки, конечно, притягиваются друг к другу, пытаясь объединиться в ипсилон-мезон, но плазма из свободных кварков, в которую всё это погружено, экранирует силы притяжения. В результате экранированные силы оказываются намного слабее, и прелестные кварки уже не могут связаться в устойчивый мезон, как прежде. Поэтому в кварк-глюонной среде у тяжелых мезонов есть намного меньше шансов вылететь из облачка плазмы: даже если мезон и образуется, его энергия связи будет так низка, что он тут же развалится из-за высокой температуры плазмы. Иными словами, мезоны плавятся внутри кварк-глюонной плазмы.

Надо подчеркнуть, что тут нет никакой особой специфики элементарных частиц, это совершенно естественное поведение любых свободных зарядов. Например, если в обычную электропроводящую среду поместить электрический заряд, то противоположно заряженные частицы среды притянутся к нему, нейтрализуя заряд. Поэтому сила между двумя электрическими зарядами, погруженными в проводящую среду, окажется заметно слабее, чем в вакууме, а значит, связанное состояние может попросту распасться на отдельные частицы. Это схематично показано на рис. 4.

Рис. 4. Кварк и антикварк, притягивающиеся друг к другу, могут образовывать связанные состояния с разной силой связи, которая зависит от среднего расстояния между ними. Рисунок И. Иванова
Рис. 4. Кварк и антикварк, притягивающиеся друг к другу, могут образовывать связанные состояния с разной силой связи, которая зависит от среднего расстояния между ними. В кварк-глюонной плазме силы притяжения ослабевают из-за эффекта экранировки, который тем существенней, чем дальше разнесены кварк и антикварк. В результате слабосвязанные мезоны разваливаются от отдельные кварки, но сильносвязанные еще держатся. Рисунок И. Иванова

Последний штрих касается зависимости этого эффекта от размера мезона. Нейтрализация силового поля кварка становится тем полнее, чем дальше мы отходим от него. Поэтому при температуре, скажем, в два раза выше критической все крупные мезоны, включая Υ(2S) и Υ(3S), уже расплавились, но Υ(1S), самый компактный из известных мезонов, всё еще выживает. При более высокой температуре, в четыре раза превышающей критическую, расплавится и он, но такие температуры трудно достичь даже на LHC.

Описанная закономерность — чем компактнее мезон, тем при более высокой температуре он плавится — называется последовательное плавление мезонов. Экспериментальное наблюдение этого эффекта является одним из самых надежных доказательств образования кварк-глюонной плазмы и позволяет изучать ее свойства. Интересно провести аналогию между этим исследованием и... астрономией, когда по отношению яркости разных спектральных линий в далеких звездах или туманностях удается вычислить температуру и плотность вещества в них.

Результаты исследования

После этого длинного введения результаты исследования, проведенного CMS, должны стать более понятными. В этой работе изучалось, как пропорции родившихся Υ(1S), Υ(2S) и Υ(3S)-частиц меняются при переходе от протон-протонных столкновений к ядерным. Количество ипсилон-частиц измерялось «спектроскопически» через их распад на μμ+-пары.

Рис. 5. Распределение μ?μ+-пар по инвариантной массе в области семейства ипсилон-мезонов в протонных столкновениях (слева) и в столкновениях ядер на LHC (справа). Пики отвечают отдельным ипсилон-мезонам из этого семейства. Изображение из обсуждаемой статьи
Рис. 5. Распределение μ?μ+-пар по инвариантной массе в области семейства ипсилон-мезонов в протонных столкновениях (вверху) и в столкновениях ядер на LHC (внизу). Пики отвечают отдельным ипсилон-мезонам из этого семейства. Изображение из обсуждаемой статьи

На рис. 5 приведены получившиеся распределения μμ+-пар по инвариантной массе в столкновении протонов (вверху) и ядер свинца (внизу). Сильный пик на обоих графиках — это Υ(1S)-мезон, пики послабее при чуть большей массе отвечают Υ(2S) и Υ(3S). Черные точки — это реальные данные со своими погрешностями, а синей линией показано наилучшее приближение, которое учитывает три ипсилон-частицы и остаточный фон. Видно, что в случае ядерных столкновений «сила» вторичных пиков резко просела по сравнению с Υ(1S). Подсчет показал, что если в протонных столкновения суммарное количество Υ(2S) и Υ(3S) составляет примерно 80% от Υ(1S), то в ядерных столкновениях эта величина падает до 25%. Таким образом, наличие кварк-глюонной плазмы подавляет втрое сильнее процесс рождения возбужденных ипсилон-мезонов, чем основного состояния.

Это первые подобные данные в ипсилон-семействе (хотя аналогичные эффекты в семействе чармониев, связанных состояний c-кварка и его антикварка, изучались и раньше). Пока они имеют достаточно большие погрешности, но по мере накопления статистики измерения станут существенно точнее и детальнее. Будет, в частности, изучено, как подавление сказывается на мезонах, вылетающих с разными поперечными импульсами (у теоретиков есть интересные предсказания на этот счет). Все эти измерения позволят еще более детально «прощупать» свойства кварк-глюонной плазмы и проверить теоретические модели.

Напоследок стоит подчеркнуть пару важных методических аспектов этой работы. Во-первых, как можно заметить на этом примере, свойства кварк-глюонной плазмы извлекаются не из ядерных столкновений самих по себе, а из сравнения ядерных столкновений с протонными. При этом важно, чтобы все параметры в этих двух типах столкновений оставались по возможности одинаковыми. Именно для этого использовались столкновения протонов не с полной достижимой сейчас энергией 3,5 ТэВ, а с уменьшенной энергией 1,38 ТэВ — ведь именно такую энергию несут отдельные протоны и нейтроны в столкновениях ядер. Эти данные были накоплены во время короткого специального сеанса работы на пониженной энергии, который состоялся в конце марта.

Во-вторых, ключевая величина, измеренная в этом эксперименте, — это не просто отношение, а двойное отношение: Υ(2S+3S)/Υ(1S) в ядерных столкновениях, поделенное на Υ(2S+3S)/Υ(1S) в протонных столкновениях. Такой подход позволяет уменьшить погрешности и отсечь модели без кварк-глюонной плазмы, в которых предсказывается одинаковое уменьшение всех ипсилон-частиц при переходе от протонов к ядрам.

Источник: CMS Collaboration. Suppression of Upsilon excited states in PbPb collisions at a nucleon-nucleon centre-of-mass energy of 2.76 TeV [http://arxiv.org/abs/arXiv:1105.4894] // препринт arXiv:1105.4894 [hep-ex] (24 May 2011).

См. также:
1) Пресс-релиз на сайте эксперимента CMS.
2) CMS Sees Hint Of Upsilon Suppression In Quark-Gluon Plasma! — сообщение в блоге Tommaso Dorigo.

Игорь Иванов


Комментарии (27)



Последние новости: LHCФизикаЯдерные столкновенияИгорь Иванов

22.07
Предложен новый эксперимент для Большого адронного коллайдера
27.06
Коллайдер достиг проектной светимости
23.06
Поиск двухфотонного пика в новых данных ведется слепым анализом
20.06
LIGO поймала новые всплески гравитационных волн
15.06
Вышли статьи ATLAS и CMS о двухфотонном пике при 750 ГэВ
14.06
Коллайдер штампует рекорды
8.06
Опубликованы окончательные результаты по хиггсовскому бозону в сеансе Run 1
7.06
CMS опробовал новую методику «разведки данных»
7.06
LHC выходит на запланированный темп набора данных
6.06
Улучшено ограничение сверху на ширину бозона Хиггса

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия