Появляются новые намеки на кварк-глюонную плазму в протонных столкновениях

Относительная доля странных барионов по сравнению с протонами (по вертикали) при увеличении множественности столкновения (по горизонтали). Сплошные символы — новые результаты протон-протонных столкновений, пустые символы — данные из протон-ядерных столкновений. График с сайта aliceinfo.cern.ch

Кварк-глюонная плазма — это особенное состояние ядерного вещества при высокой плотности и температуре. В ней отдельные протоны и нейтроны словно растворяются друг в друге, и составляющие их кварки начинают свободно гулять по объему. Кварк-глюонная плазма заполняла горячую Вселенную в первые мгновения после Большого взрыва. Сейчас, пытаясь разобраться с ее свойствами, физики на считанные иоктосекунды создают мельчайшие капельки такого состояния материи в столкновениях тяжелых ядер и анализируют частицы, рождающиеся при ее разлете и остывании. Изучение кварк-глюонной плазмы — один из ключевых пунктов научной программы Большого адронного коллайдера, и один из детекторов, ALICE, был специально сконструирован для этой задачи.

Кварк-глюонная плазма была открыта экспериментально в начале 2000-х годов и активно изучалась на LHC (см. ленту наших новостей по этой теме). Однако она легко возникает только в столкновениях тяжелых ядер. Это и понятно: в ядрах и так уже содержится очень много кварков, поэтому достаточно нагреть этот сгусток материи при ударе, и он превратится в плазму. Пару лет назад коллаборация PHENIX получила свидетельства в пользу того, что и в несимметричных столкновениях ядер гелия-3 с золотом тоже возможен этот процесс (см. подробный рассказ и общее введение в тему в нашей новости Крошечные капли кварк-глюонной плазмы образуются и в несимметричных ядерных столкновениях). Однако вопрос о том, может ли такое состояние вещества образоваться в протон-протонных столкновениях, остается открытым.

С одной стороны, в столкновениях двух протонов больших энергий действительно может родиться много частиц. На LHC были зарегистрированы события с большой множественностью, в которых рождалось более сотни адронов. Это значит, что в процессе столкновения возникают сотни кварков и антикварков. Но они рождаются не в самом начале жесткого столкновения, а в конце процесса. Поэтому совершенно неясно, успевают ли они при разлете достаточно много раз провзаимодействовать друг с другом, приобрести коллективные свойства, выровнять температуру, и образовать настоящую плазму.

Физики пытаются восстановить этот процесс по различным косвенным признакам (примеры см. в приведенных выше ссылках). Один из них — это повышенная вероятность рождения странных адронов, частиц, содержащих странный кварк. В исходных протонах этих кварков нет, но они рождаются в столкновениях. Если результат столкновения — это просто рождение и разлет нескольких кварков, без образования плазмы, то странных адронов будет мало и разлетаться они будут с довольно большими поперечными импульсами. Если же плазма успела образоваться, то в гуще кварковой материи успевают тепловым образом родиться многочисленные странные кварки, которые затем превращаются в странные адроны. В итоге, при переходе от обычного столкновения к кварк-глюонной плазме должна расти относительная доля странных адронов.

Недавно коллаборация ALICE провела именно такое исследование в протон-протонных столкновениях при энергии 7 ТэВ. Статья коллаборации была на днях опубликована в журнале Nature Physics; как и все статьи с LHC, она находится в открытом доступе. На сайте ЦЕРНа появилась также популярная заметка про эту работу.

На рисунке приведен сводный график результатов исследования. По горизонтали отложена множественность процесса столкновения (число заряженных адронов на единицу быстроты в центральной области детектора). По вертикали — отношение количества барионов определенного типа к значению, усредненному по всем столкновениям. Четыре типа частиц — это протоны (красные символы), лямбда-барионы, содержащие один странный кварк, (синие символы), кси-барионы (два странных кварка, зеленые символы), и омега-барионы (три s-кварка, серые символы). Закрашенные значки показывают новые результаты в протон-протонных столкновениях, пустые — измерения в протон-ядерных столкновениях, в условиях, где кварк-глюонной плазме родиться проще.

Данные показывают четкий рост относительного числа странных частиц с увеличением множественности. При этом чем больше странных кварков в адроне, тем резче рост. При равных значениях множественности зависимость примерно одинаковая для протон-протонных, протон-ядерных и чисто ядерных столкновений (они здесь не показаны), причем все эти три процесса происходили при разных энергиях. Это свидетельствует в пользу того, что в протонных столкновениях запускаются те же процессы массового рождения странных кварков, как и в столкновениях ядер. Сравнив результаты с теоретическими моделями, физики выяснили, что наилучшее описание дает та из них, которая позволяет глюонным полям образовывать более свободные конфигурации, характерные, в том числе, и для кварк-глюонной плазмы. Однако от окончательного вердикта, что в протонных столкновениях обнаружена кварк-глюонная плазма, экспериментаторы пока воздерживаются.