Столкновения фотонов и ионов могут создать жидкость из частиц

Новый компьютерный анализ, проведенный теоретиками из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Университета штата Уэйн, подтверждает идею о том, что столкновение легких частиц (фотонов) с тяжелыми ионами может создать «сильно взаимодействующую» жидкость частиц. Их расчеты гидродинамического потока согласуются с данными эксперимента ATLAS.

Расположенный в 100 метрах под землей, ATLAS является одним из двух многоцелевых детекторов Большого адронного коллайдера (БАК). Он основан на шести различных подсистемах обнаружения, расположенных слоями вокруг точки столкновения частиц, которые регистрируют их траекторию, импульс и энергию, что позволяет идентифицировать каждую частицу. Одной из его задач является обнаружение бозона Хиггса, или частиц, которые могут образовывать темную материю.

Группа исследователей провела расчеты для описания гидродинамического потока частиц, наблюдаемого в лобовых столкновениях различных типов ионов на БАК и RHIC (Релятивистский коллайдер тяжелых ионов) в Брукхейвенской национальной лаборатории. Немного изменив эти расчеты, они смогли описать картину потоков, наблюдаемых в столкновениях «почти пропущенных» — «ультрапериферийных столкновениях», когда фотоны, сгруппированные в облаке вокруг ускоренных ионов, сталкиваются с ядром (или ионом) в противоположном пучке.

Ускоренные ионы, окруженные облаком фотонов

Ожидается, что сферические частицы (включая протоны и ядра), сталкивающиеся лоб в лоб, создадут равномерный градиент давления. «Заставляя эти высокоэнергетические ядра сталкиваться, мы создаем такую высокую плотность энергии — сжимая кинетическую энергию этих частиц в таком маленьком пространстве — что эта материя, по сути, ведет себя как жидкость«, — объясняет Бьорн Шенке, теоретик из Брукхейвенской лаборатории и соавтор статьи.

Но частично перекрывающиеся столкновения создают продолговатый, миндалевидный градиент давления, который толкает больше высокоэнергетических частиц вдоль малой оси, чем перпендикулярно ей.

Эта «эллиптическая» форма потока была одним из первых признаков того, что столкновения частиц в RHIC могут создать кварк-глюонную плазму (КГП) — горячий «суп» из элементарных частиц, из которых состоят протоны и нейтроны ядер и ионов. В конечном итоге ученые установили, что этот эллиптический поток является существенной особенностью КГП, и представили доказательства того, что кварки и глюоны по-прежнему сильно взаимодействуют, даже когда они не ограничены внутри протонов и нейтронов.

Заряженные частицы, ускоренные до высоких энергий, такие как ядра/ионы свинца, ускоренные на БАК (и ионы золота в RHIC), излучают электромагнитные волны, или частицы света. Поэтому каждый ион свинца, ускоряемый на БАК, окружен облаком фотонов. Ученые знают, что ультрапериферийные столкновения могут создавать фотон-ядерные взаимодействия, используя сами ядра в качестве источника фотонов. «Когда два таких иона проходят очень близко друг к другу, не сталкиваясь, можно считать, что один из них испускает фотон, который затем попадает в ион свинца, идущий в другую сторону«, — объясняет Шенке.

Сильно взаимодействующая жидкость, способная создавать кварк-глюонную плазму

Такие события происходят относительно часто, потому что, как отмечает физик, «ионам легче промахнуться друг мимо друга на небольшое расстояние, чем точно попасть друг в друга». Анализируя данные ATLAS, исследователи обнаружили сигналы от этих фотон-ядерных столкновений, которые похожи (хотя и меньше) на сигналы, наблюдаемые в столкновениях свинец-свинец и протон-свинец. Шенке и его коллеги исследовали, могут ли их теоретические расчеты точно описать характер течения частиц.

Согласно законам физики, фотон может претерпевать квантовые флуктуации и превращаться в другую частицу с теми же квантовыми числами. Например, он может стать так называемым «ро-мезоном» — частицей, состоящей из кварка и антикварка, удерживаемых вместе глюонами. Напомним, что протон состоит из трех кварков (два восходящих кварка и один нисходящий кварк, связанные глюонами). «Вместо распределения глюонов вокруг трех кварков внутри протона мы имеем два кварка (кварк-антикварк) с распределением глюонов вокруг них для столкновения с ядром«, — резюмирует Шенке.

Исследователи также должны были принять во внимание большую разницу в энергии в этих системах столкновений фотон-ядро по сравнению с системами протон-свинец и особенно свинец-свинец; энергия в этом случае намного ниже. Моделирование столкновений фотонов со свинцом показало, что распределение частиц быстро меняется с увеличением продольного расстояния (расстояние от точки столкновения вдоль линии пучка); частицы испытывают различные градиенты давления в зависимости от их положения и становятся «декоррелированными».

Когда физики сравнили предсказания этой низкоэнергетической гидродинамической модели с картинами потоков частиц, наблюдаемых в столкновениях фотонов со свинцом на детекторе ATLAS, данные и теория идеально совпали.

«Исходя из этого результата, кажется возможным, что даже в столкновениях тяжелых ионов и фотонов мы имеем сильно взаимодействующую жидкость, которая реагирует на начальную геометрию столкновения, как это описывается гидродинамикой. Если энергии и температуры будут достаточно высокими, возникнет кварк-глюонная плазма«, — заключает Шенке.

Таким образом, исследователи продемонстрировали, что их теоретическая основа обеспечивает количественный инструмент для изучения производства и сбора частиц для всех размеров системы. Дополнительные данные, которые будут собраны ATLAS и другими экспериментами в RHIC и БАК в течение следующих нескольких лет — включая данные с будущего электрон-ионного коллайдера — позволят провести более детальный анализ частиц, вылетающих из фотон-ядерных столкновений.