Детектор ALICE приступил к изучению кварк-глюонной плазмы

Рис. 1. Результат нецентрального столкновения двух ядер сверхвысокой энергии. Изображение с сайта interactions.org

18 ноября в архиве электронных препринтов появились две небольших статьи коллаборации ALICE, работающей на одноименном детекторе Большого адронного коллайдера. В этих статьях рассказывается о самых первых научных результатах, полученных в столкновениях ядер свинца сверхвысоких энергий на LHC (напомним, что Большой адронный коллайдер переключился на столкновения ядер две недели назад). Одна из них, arXiv:1011.3916, касается общего количества частиц, рождавшихся в столкновениях ядер лоб в лоб, а во второй, arXiv:1011.3914, изучается более тонкий эффект, возникающий при нецентральном столкновении ядер, — эллиптический поток (elliptic flow). Это очень важное явление, напрямую рассказывающее физикам о свойствах кварк-глюонной плазмы — самого экстремального состояния материи, когда-либо достигнутого в лаборатории.

Чтобы понять, что такое эллиптический поток, нужно вначале представить себе, как происходит типичное столкновение двух ядер сверхвысокой энергии. Если ядра сталкиваются строго лоб в лоб (то есть их проекции на поперечную плоскость полностью перекрываются), то все нуклоны (протоны и нейтроны) из обоих ядер на краткий миг порождают горячее облачко ядерной материи — кварк-глюонную плазму. Если же два ядра сдвинуты друг относительно друга (то есть сталкиваются нецентрально), то перекрытие получается неполным. В результате сталкивается и порождает кварк-глюонную плазму только часть протонов и нейтронов из каждого ядра, а оставшиеся куски ядер просто отрываются и по инерции пролетают мимо (см. рис. 1).

Поскольку ядра более-менее круглые, область их перекрытия в проекции на поперечную плоскость имеет типичную миндалевидную форму (см. на рис. 2). Именно такую форму имеет то облачко кварк-глюонной плазмы, которое образуется при этом столкновении.

Рис. 2. При нецентральном столкновении ядер их проекции на поперечную к оси реакции плоскость (показаны желтым цветом) перекрываются неполностью. Область перекрытия (показана красным цветом) сплющена в плоскости реакции. Изображение из обзора «Hydrodynamics and flow» из сборника статей по свойствам кварк-глюонной плазмы

Это облачко расширяется во все стороны, но не симметрично, а преимущественно в исходно более сплющенном направлении (движение показано стрелками на рис. 2, справа). Этот факт имеет очень простое гидродинамическое объяснение. Расширение вещества происходит за счет перепада давления, которое в центре сгустка максимально, а по краям равно нулю. В сплющенном направлении (то есть в плоскости реакции, по оси x) этот перепад давления реализуется на меньшем расстоянии, чем в более вытянутом направлении, вдоль оси y. Из-за этого силы, расталкивающие части облачка по оси x, гораздо сильнее, чем по оси y. В результате возникают несимметричные течения в расширяющейся кварк-глюонной плазме (движение по оси x преобладает над движением по оси y), которые и называются эллиптическим потоком.

Конечно, в каждом конкретном столкновении ядер плоскость реакции своя; нет никакого общего универсального выбора осей x и y. Однако для измерения эллиптического потока это и не нужно. Детектор должен лишь заметить, что количество частиц, разлетающихся в разные стороны после каждого ядерного столкновения, зависит от угла. Вдоль какого-то направления (в обе стороны) их чуть побольше, а в перпендикулярном направлении — чуть поменьше. Эта разница и характеризует эллиптический поток (см. рис. 3, слева).

Рис. 3. Слева: эллиптический поток приводит к тому, что частицы предпочитают вылетать вдоль какого-то направления в поперечной плоскости, а в перпендикулярном направлении количество частиц меньше. Возникает зависимость количества частиц от угла, отмеряемого от плоскости реакции. Справа: если бы кварк-глюонная плазма не образовывалась, а частицы разлетались бы независимо, никакой зависимости от угла не было бы. Изображение из обзора «Hydrodynamics and flow» из сборника статей по свойства кварк-глюонной плазмы

Важно подчеркнуть, что само по себе обнаружение эллиптического потока в эксперименте уже свидетельствует о том, что в столкновении ядер образовывалось некоторое коллективное текучее состояние (то есть кварк-глюонная плазма). Как и в любом сплошном веществе, это состояние характеризуется тем, что его частицы постоянно сталкиваются друг с другом, а не пролетают мимо. Это означает, что для такого вещества можно (примерно) определить температуру, энтропию, вязкость и другие гидродинамические и термодинамические величины, изучать фазовые переходы при остывании и т. д.

Если бы в эксперименте оказалось, что адроны разлетаются примерно одинаково во всех поперечных направлениях, как показано на рис. 3 справа, то это означало бы, что исходные частицы просто не замечают друг друга. А это, в свою очередь, свидетельствовало бы о том, что никакой сплошной текучей среды нет, есть просто набор частиц. Таким образом, эллиптический поток доказывает наличие многократного столкновения и рассеяния частиц, а значит, напрямую указывает на образование кварк-глюонной плазмы.

Рис. 4. Величина v₂, характеризующая силу эллиптического потока, в зависимости от энергии в расчете на одно нуклон-нуклонное столкновение. Результат ALICE показан сплошным красным кружочком. На графике показаны также и результаты предыдущих экспериментов при более низких энергиях

Эллиптический поток был виден в столкновениях ядер и на меньших энергиях; при энергиях LHC он стал чуть более выражен (см. рис. 4). Уже это первое измерение показывает то, как именно эллиптический поток усиливается с ростом энергии, что позволяет теоретикам проверить свои предсказания. Несомненно, в будущем ALICE представит и более подробные исследования силы эллиптического потока в зависимости от разных параметров. Вкупе с другими измерениями это позволит в деталях изучить поведение сильно взаимодействующей материи при рекордных температурах и давлениях.

В качестве дополнительной литературы на русском языке можно порекомендовать популярную статью «Первые микросекунды» из журнала «В мире науки» и недавний обзор «Некоторые результаты, полученные на коллайдере релятивистских ионов», опубликованный в журнале ЭЧАЯ.