Наука и образование

Эксперимент ALICE представил новые результаты фемтоскопических исследований

Эксперимент ALICE, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), выпустил две новые экспериментальные работы, посвященные изучению взаимодействия адронов. Исследованы параметры K^–p рассеяния и обнаружено указание на притяжение между протонами и φ мезонами.

Существует несколько экспериментальных методов, позволяющих изучать то, как адроны взаимодействуют друг с другом. Схематически они представлены на рисунке 1. Во-первых, можно наблюдать за рассеянием напрямую, но такие эксперименты имеют небольшую чувствительность в области малых относительных импульсов. Второй возможностью является изучение энергетического спектра экзотических атомов, например, при замене электрона в атоме водорода на K^– мезон, но такое возможно лишь для долгоживущих электрически заряженных адронов. Наконец, третий метод – фемтоскопия – исследование корреляций между частицами, которое позволяет измерить силу взаимодействия между ними. В последние годы прорыв в этой области совершил эксперимент ALICE. Множественное рождение адронов в протон-протонных, протон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействиях позволяет изучать то, как эти частицы взаимодействуют друг с другом. При этом, варьируя состав начальной системы, можно управлять расстоянием между адронами. Эти исследования важны, например, для понимания астрофизических процессов.

Методика фемтоскопических исследований базируется на том, что при большом числе адронов, родившихся в результате взаимодействия ультрарелятивистских частиц, некоторые из них летят близко друг к другу и имеют малый относительный импульс. Для таких пар частиц возможны проявления сил притяжения или отталкивания. Чтобы измерить эти силы, из всей набранной статистики выделяются экспериментальные события, в которых родились такие частицы, и для них строится так называемая корреляционная функция – С(k^*), где k^* – относительный импульс двух частиц. Корреляционная функция представляет собой отношение распределений по k^* для всех пар частиц, рожденных в одном элементарном взаимодействии частиц встречных пучков, к такому же числу специально сконструированных событий, для которых частицы, составляющие пару, берутся из разных соударений. Для специально сконструированных событий эффекты взаимодействия отсутствуют! Если между частицами действует сила притяжения, то вероятность найти две такие частицы с малыми относительными импульсами больше, а значит, корреляционная функция превышает единицу в области малых k^*.

В мае 2021 года международное сотрудничество ALICE представило новые результаты исследований взаимодействия каонов и протонов. K^–p взаимодействия изучались в соударениях ядер свинца. Для таких соударений удается протестировать размеры источника K^–p-пар от 5 до 9 фемтометров. Для сравнения при взаимодействии ультрарелятивистских протонов размер источника составляет порядка 1 фм. Размеры источника в ядро-ядерных столкновениях можно варьировать, отбирая события с разным числом заряженных частиц. Чем оно больше, тем больше перекрытие ядерного вещества при соударении, и тем больше размеры системы. В целом гипотезы ученых о динамике процесса подтвердились. Исследователям удалось получить параметры K^–p рассеяния – вещественную и мнимую части комплексной амплитуды рассеяния. Первый параметр отвечает за интенсивность упругого рассеяния, а второй за вероятность превращения в частицы других типов. Эти параметры находятся в согласии с результатами измерений другими методами, а также с теоретическими предсказаниями (см. рисунок 2).

Другой интересной работой, выпущенной в мае, стало изучение φp взаимодействий. Об этих взаимодействиях известно немного. Их нельзя исследовать методами рассеяния с использованием пучков адронов и спектроскопии экзотических атомов, так как φ мезоны электрически нейтральны и очень быстро распадаются. Между тем эта информация была бы очень полезна для изучения того, как меняются характеристики мезонов, если они помещены в ядерную среду. Новая работа ALICE дает надежду на прогресс в изучении свойств такого взаимодействия.

Исследователи получили корреляционную функцию для системы φp в протон-протонных взаимодействиях (см. рисунок 3). Её анализ показал, что протон и мезон притягиваются друг к другу. Более того, извлеченная мнимая часть амплитуды рассеяния находится в согласии с нулевым значением, а значит, неупругие процессы, скорее всего, не играют важной роли. Также следует отметить, что увеличение статистики в будущих этапах работы БАК позволит значительно уменьшить погрешности измерения.

Сотрудники Лаборатории релятивистской ядерной физики ОФВЭ НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в эксперименте ALICE, внося свой вклад в возможность проведения таких экспериментальных работ.