Физики из эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере обнаружили в столкновениях протонов друг с другом и протонов с ядрами свинца новый аргумент в пользу того, что даже в малых системах может на короткое время возникать среда из коллективно движущихся кварков и глюонов. Ученые показали, что в событиях с большой множественностью рожденных частиц барионы и мезоны начинают вести себя по-разному — так же, как это давно наблюдают в столкновениях тяжелых ионов. Результаты эксперимента опубликованы в Nature Communications, кратко о них сообщает CERN.
Кварки — это фундаментальные частицы, из которых, согласно Стандартной модели, вместе с глюонами состоит адронная материя. Именно из кварков построены, например, протоны и нейтроны, а глюоны переносят сильное взаимодействие и удерживают кварки внутри частиц. Считается, что в первые микросекунды после Большого взрыва вещество во Вселенной находилось не в виде отдельных адронов, а в состоянии кварк-глюонной плазмы — чрезвычайно горячей и плотной среды, где кварки и глюоны еще не заперты внутри протонов, нейтронов и других составных частиц.
Обычно кварк-глюонную плазму изучают в столкновениях тяжелых ядер, потому что там проще создать очень горячую и плотную среду, похожую на вещество ранней Вселенной. Но в последние годы признаки появления кварк-глюонной плазмы — дальнодействующие корреляции, массовое упорядочение потока и усиленный выход странных адронов — стали находить в протон-протонных и протон-ядерных столкновениях. Еще в 2017 году ALICE сообщал о следах необычного коллективного поведения по рождению странных частиц в протонных столкновениях, но сам по себе этот результат не считался доказательством кварк-глюонной плазмы.
Физики из эксперимента ALICE под руководством Кая Оливера Шведа (Kai Oliver Schweda) из Центра по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца обнаружили различие по эллиптическому потоку для нескольких типов мезонов и барионов в протон-протонных столкновениях при энергии 13 тераэлектронвольт и в протон-свинцовых столкновениях при энергии около пяти тераэлектронвольта на пару нуклонов. Чтобы выделить именно коллективное движение, они подавили вклад распадов резонансов, джетов и других нерелевантных корреляций, используя большие зазоры по псевдобыстроте и шаблонную подгонку. После этого оказалось, что при поперечных импульсах выше примерно трех гигаэлектронвольт барионы демонстрируют больший коэффициент эллиптического потока, чем мезоны, а само разделение достигает примерно пяти стандартных отклонений.
Затем авторы сравнили данные с несколькими теоретическими моделями. Лучше всего измерения описал гибридный сценарий, в котором сначала возникает гидродинамически расширяющаяся партонная среда, а затем кварки объединяются в адроны через коалесценцию. Модели без этой стадии или без коалесценции не смогли воспроизвести наблюдаемое разделение мезонов и барионов даже качественно. Поэтому авторы трактуют результат как свидетельство того, что в столкновениях малых систем тоже может появляться стадия с гидродинамически текущими партонами, хотя в описании начальной геометрии столкновения и внутренней структуры протона все еще остаются неопределенности.
Ученые продолжают находить разные способы изучения кварк-глюонной плазмы. Ранее физики предложили искать ее в столкновениях нейтронных звезд.