Коллаборация ALICE представила первые данные по протон-ядерным столкновениям

Распределение по быстроте количества заряженных адронов, родившихся в протон-ядерном соударении с полной энергией столкновения 5,02 ТэВ (в расчете на протон-нуклонную пару). Красные точки и розовая полоса — данные коллаборации ALICE и их погрешности, разноцветные линии — предсказания разнообразных теоретических моделей. Изображение из статьи arXiv:1210.3615

Изучение столкновений тяжелых ядер — один из существенных пунктов научной программы Большого адронного коллайдера. Один из детекторов, ALICE, был даже сконструирован специально под эту задачу. В столкновении двух ядер большой энергии происходит фактически столкновение одновременно нескольких сотен протонов и нейтронов, и в нем на короткое время возникает кварк-глюонная плазма. Ее свойства и поведение отдельных частиц, движущихся сквозь нее, очень интересуют физиков, изучающих сильные взаимодействия.

Сеансы столкновений ядер свинца на LHC прошли в конце 2010-го и в 2011 году. В них уже было получено немало интересных данных, которые позволили теоретикам улучшить модели описания этого состояния вещества (сводка результатов приведена на страничке Результаты изучения ядерных столкновений, а отдельные сообщения см. в ленте Новости LHC: ядерные столкновения). Но уже после первых ядерных столкновений на LHC стало понятно, что большую научную пользу принесут также и столкновения протонов с тяжелыми ядрами.

Польза от таких асимметричных столкновений в том, что они помогут «распутать» клубок эффектов, возникающих при переходе от протонов к ядрам. Некоторые из этих эффектов связаны с начальным состоянием, ведь ядро при сверхвысоких энергиях — это вовсе не простой набор протонов и нейтронов, в нём кварковые и глюонные плотности из разных протонов перекрываются и «мешают» друг другу. Другие эффекты связаны с конечным состоянием, то есть с возникновение кварк-глюонной плазмы. В столкновении двух ядер эффекты начального и конечного состояния запутаны. В столкновении протона с ядром эффекты начального состояния сильны, а эффекты конечного состояния почти отсутствуют, поскольку настоящая кварк-глюонная плазма не возникает. Поэтому все выводы, сделанные из анализа чисто ядерных столкновений, полезно дополнительно проверять и на протон-ядерных.

Эти и другие соображения были сформулированы в предложении осуществить такую проверку и на LHC, опубликованном полтора года назад (см. нашу новость Обсуждается возможность протон-ядерных столкновений на LHC). В феврале было принято решение провести полноценный сеанс протон-ядерных столкновений в конце 2012 года. Правда, сейчас планы слегка изменились: до конца года коллайдер будет по-прежнему работать в протон-режиме, а сеанс протон-ядерных столкновений отодвинут на начало 2013 года. Тем не менее самая первая проверка того, как Большой адронный коллайдер сможет сталкивать столь асимметричные пучки, была проведена уже в середине сентября. Тест прошел успешно, и в ходе него детектор ALICE даже набрал небольшую статистику столкновений. И вот на днях вышли два препринта коллаборации, описывающие первые научные результаты, извлеченные из этой статистики.

В первой статье (arXiv:1210.3615) приведены результаты измерения количества заряженных частиц, родившихся в таких столкновениях. До этого измерения теоретические предсказания на основе разных моделей различались почти в два раза, но уже первые данные с погрешностями всего в 5–8% резко уменьшили существовавшие до сих пор неопределенности (см. рисунок).

Во второй статье (arXiv:1210.4520) изучалась другая величина — распределение рожденных частиц по поперечному импульсу. Напомним, что в протон-протонных столкновениях часто рождаются адронные струи — потоки адронов с довольно большими поперечными импульсами. В ядерных столкновениях количество таких адронов резко уменьшается (в пересчете на одно нуклон-нуклонное столкновение). Считается, что причина этого — процесс гашения струй в кварк-глюонной плазме. По приведенной выше классификации, это эффект конечного состояния, и значит, он не должен быть заметен в протон-ядерных столкновениях. И действительно, коллаборация ALICE этого эффекта сейчас не видит. Значит, можно с полным правом сказать, что уменьшение количества жестких адронов в ядерных столкновениях — это действительно проявление кварк-глюонной плазмы, а не какой-то особый эффект начального состояния.

В 2013 году, после полноценного сеанса протон-ядерных столкновений и обработки его результатов, можно ожидать намного более детальную информацию об этом процессе.