На БАК измерили сильное взаимодействие между протонами и редкими гиперонами


На БАК измерили сильное взаимодействие между протонами и редкими гиперонами

ALICE CERN, 2020

Данные эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере по

протон-протонным столкновениям использовали для измерения сильного

взаимодействия между протонами и двумя типами гиперонов — частиц из трех

кварков, один из которых является странным. Новые наблюдения превзошли

предыдущие исследования по точности и диапазону наблюдения, а в будущем

использованный метод позволит лучше изучить сильное взаимодействие короткоживущих

адронов. Это может помочь физикам не только в поиске связанных состояний экзотических частиц, но и в понимании структуры нейтронных звезд. Статья опубликована в

журнале Nature.

Почти вся видимая материя во Вселенной состоит из нуклонов (протонов

и нейтронов), которые, в свою очередь, являются барионами — частицами из трех

кварков. Кварки в таких структурах связывает сильное взаимодействие, которое

реализуется посредством обмена глюонами — бозонами-переносчиками сильного

взаимодействия. Это же взаимодействие

приводит к возникновению остаточной силы, которая связывает друг с другом и

сами нуклоны: таким образом образуется дейтрон (связанное состояние

нейтрона и протона) и все остальные атомные ядра. Сильное нуклон-нуклонное

взаимодействие можно изучать

в экспериментах по рассеянию нуклонов друг на друге, а для теоретического

описания подобных явлений существует квантовая

хромодинамика.

Сильное взаимодействие друг между другом могут

испытывать не только нуклоны, но и другие барионы, к примеру, гипероны —

частицы из трех кварков, один из которых должен быть странным.

Хоть гипероны по своей структуре и очень похожи на повсеместно встречающиеся

протоны и нейтроны, время их жизни не превышает наносекунду (хоть это и достаточно

долго для микромира), а их масса существенно больше, чем у нуклонов, за счет наличия

в их составе тяжелого s-кварка.

Последняя особенность на руку теоретикам: существующие теоретические

предсказания взаимодействия гиперонов с нуклонами и друг с другом на основе квантовой хромодинамики обладают малыми погрешностями, так

как подобные решения оказываются более стабильными для кварков с большей

массой.

Экспериментально сильное взаимодействие между гиперонами и

нуклонами в основном изучалось в экспериментах с их связанными

состояниями, ведь время жизни и частота рождения этих экзотических частиц затрудняет эксперименты

по изучению рассеяния гиперонов на нуклонах и друг на друге. Однако в последние

годы с развитием фемтоскопии

стали возможны эксперименты, в которых взаимодействие нуклонов и гиперонов

изучают в столкновениях релятивистских частиц (ядер или протонов). В этом

случае взаимодействие пары частиц, рождающихся в области столкновения, изучают

по корреляционным функциям сечений вылета пар частиц с определенной разностью

импульсов. Нуклон (в существующих экспериментах — протон) и гиперон в таких

экспериментах успевают провзаимодействовать до того, как распадется гиперон, а

высокая точность определения импульсов протона и продуктов распада гиперона

позволяет оценить силу и продолжительность взаимодействия частиц.

Больших успехов в этой области достигла

коллаборация STAR в экспериментах по столкновению ядер золота при энергии 200 гигаэлектронвольт на нуклон, но из-за

большого размера сталкивающихся частиц большой была и область, из которой вылетали

протоны и гипероны: ее диаметр составил 3-5 фемтометра. Как мы знаем из принципа

неопределенности, больший разброс в расстоянии ведет к меньшему разбросу в

импульсе: в результате сильное взаимодействие гиперонов и протонов было исследовано

при относительном импульсе пары частиц до 40 мегаэлектронвольт на скорость

света, что уменьшило чувствительность к сильным взаимодействиям частиц на

расстояниях менее 1 фемтометра.

Уменьшить соответствующую неопределенность удалось ученым из

коллаборации эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН. Из данных по

протон-протонным столкновениям при энергии в системе центра масс в 13

тераэлектронвольт они получили корреляционные функции для пар из протона и

омега-гиперона Ω (самый редкий гиперон, состоящий из трех s-кварков), а также для пар из

протона и кси-минус-гиперона Ξ (который состоит из двух s-кварков и одного d-кварка). Для предсказания корреляционной

функции использовалось нерелятивистское уравнение Шредингера. Физики выбрали

такое приближение, так как соответствующий сильному взаимодействию

относительный момент в условиях эксперимента не превышает 200 мегаэлектронвольт

на скорость света, что с высокой точностью соответствует нерелятивистскому

случаю. Присутствие в событии омега-гиперона отслеживалось по продуктам его

слабого распада на Кмезон и Λ-барион, последний из которых в дальнейшем

распадался на πмезон и протон.

На БАК измерили сильное взаимодействие между протонами и редкими гиперонами

Схема входящий в корреляционную функцию факторов. S (r*) — распределение расстояния между рождающимися частицами, ψ (k*, r*) — волновая функция пары частиц, ξ (k*) — корректировка экспериментальных факторов, N — число пар с определенным относительным импульсом в одном событии (числитель) и в разных событиях (знаменатель).

ALICE CERN, 2020

В результате исследователям удалось получить корреляционные

функции для взаимодействия протона с Ξ и Ω в интервале относительного

импульса от 0 до 300 мегаэлектронвольт на скорость света, размер области вылета

частиц составил 1,02 ± 0,05 фемтометра для пар p—Ξ и 0,95 ± 0,06 фемтометра для пар p—Ω. Отличия в полученных

значениях могут быть следствием коллективных эффектов при столкновении протонов,

таких как анизотропный

поток. Общая картина корреляционной функции для пары p—Ξ совпала с предсказаниями

решеточной модели HAL QCD,

которая использует фундаментальные принципы квантовой хромодинамики для вычисления

потенциалов сильного взаимодействия адронов (частиц, состоящих из кварков). Особенно важным результатом

является малая погрешность полученных результатов: этого удалось добиться

благодаря тому, что поперечные импульсы рожденных частиц на ALICE измеряются

с погрешностью менее процента.

На БАК измерили сильное взаимодействие между протонами и редкими гиперонами

Экспериментально полученные корреляционные функции и теоретические предсказания. Зеленый цвет – электро-магнитное притяжение, остальное – предсказания HAL QCD. Сверху – данные для кси-минус-гиперона, снизу – для омега-гиперона.

ALICE CERN, 2020

Измерения корреляционной функции для пары p—Ω, однако, не полностью

совпали с теоретическими предсказаниями: в измеренной на эксперименте зависимости

физики не нашли характерную «яму», отвечающую за возможное связанное состояние

протона и омега-гиперона. Ученые надеются изучить этот вопрос подробнее после

апгрейда Большого адронного коллайдера и самого эксперимента ALICE, который позволит набрать больше

статистики за счет увеличения светимости установки. Но и полученные результаты показали,

что современные возможности фемтоскопии на таких экспериментах как ALICE позволят

в будущем лучше изучить сильные взаимодействия между короткоживущими адронами. Это, в свою очередь, важно не только для поиска экзотических связанных

состояний гиперонов, но и для астрофизики: мы до сих пор не знаем, что из себя

представляют центральные области нейтронных звезд, и сильные взаимодействия

нуклонов с гиперонами могут оказать большое влияние на их структуру.

На гиперонах не заканчивается разнообразие барионов и их

возбужденных состояний, и физики продолжают открывать новые частицы: так, год

назад на БАК обнаружили

два новых возбужденных состояния прелестного лямбда-бариона, а двумя годами

ранее там нашли

еще пять новых очарованных состояний.

Никита Козырев

Источник: nplus1.ru



Логотип Labuda.blog
Авторизоваться с помощью: 
Яндекс.Метрика