На БАК измерили сильное взаимодействие между протонами и редкими гиперонами

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 К⁻мезон и Λ-барион, последний из которых в дальнейшем
распадался на π⁻мезон и протон.

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.

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

. .