Глюоны в ядре свинца: эксперимент на БАК подтвердил теорию насыщения

Кварки часто называют фундаментальными строительными блоками материи, но почти вся масса видимой Вселенной происходит из энергии глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие. Именно они «склеивают» кварки внутри протонов и нейтронов, формируя атомные ядра. Понимание того, как глюоны взаимодействуют друг с другом, — одна из ключевых задач современной физики.

Ученые давно знали, что при повышении энергии плотность глюонов внутри ядра стремительно растет. Однако этот рост не может продолжаться бесконечно. Теория квантовой хромодинамики предсказывала явление «насыщения»: в какой-то момент глюоны упаковываются так плотно, что их способность к размножению подавляется, и они начинают сливаться друг с другом. До сих пор это предсказание не удавалось подтвердить экспериментально.

Эксперимент с точностью до «горячих точек»

Чтобы проверить теорию, коллаборация ALICE провела уникальный эксперимент на Большом адронном коллайдере. Ученые заставляли ядра свинца пролетать очень близко друг к другу на околосветовых скоростях. Мощные электромагнитные поля, возникающие при таком движении, действовали как пучки фотонов высоких энергий. Когда фотон сталкивался с соседним ядром, образовывалась короткоживущая частица J/ψ («джей-пси»).

Измеряя параметры рождения этих частиц, физики смогли «увидеть» отдельные плотные сгустки глюонов — «горячие точки», размеры которых оказались в несколько раз меньше протона. Как отмечают авторы, эксперимент сработал как сверхмощный микроскоп с настраиваемым фокусом, позволив заглянуть внутрь ядра с беспрецедентной точностью.

Неожиданное подавление

Исследователи провели измерения в широком диапазоне энергий — от 20 до 633 миллиардов электронвольт. Результаты оказались поразительными: на самых малых масштабах, при максимальных энергиях, частота рождения частиц J/ψ резко снижалась. Уровень статистической значимости отклонения составил три сигмы, что соответствует 99,7% уверенности.

Это подавление не могло быть объяснено традиционным механизмом «ядерного затенения», который отлично работал для более ранних данных. Однако график идеально совпал с математическими моделями «глюонного насыщения». Похоже, что при таких колоссальных энергиях глюоны в ядре свинца упакованы настолько плотно, что начинают интенсивно взаимодействовать друг с другом, физически ограничивая появление новых частиц в заданном объеме.

Впервые ученым удалось различить две конкурирующие теории строения атомного ядра в экстремальных условиях. Полученные результаты приближают науку к разгадке того, как сильное взаимодействие формирует структуру и массу окружающего мира.

Авторы научной работы подчеркивают, что для окончательного понимания природы квантовых флуктуаций потребуются новые расчеты и сбор данных в других энергетических диапазонах. Тем не менее, этот эксперимент стал важным шагом на пути к разгадке тайн квантовой хромодинамики.