Изучение ядерных столкновений

Большой адронный коллайдер позволяет разгонять и сталкивать друг с другом не только протоны, но и ядра свинца. В научной программе коллайдера ядерным столкновениям отводится примерно один месяц в году. Главная цель таких столкновений — изучить свойства адронной материи при сверхбольших давлениях и температурах, и в особенности промежуточную фазу в таких столкновениях — кварк-глюонную плазму.

Сразу стоит подчеркнуть отличие этой научной задачи от поиска хиггсовского бозона, суперсимметрии и разнообразных новых частиц. В столкновении ядер никаких новых частиц не ожидается, но зато с их помощью физики надеются лучше понять, как работает сильное взаимодействие.

Динамика сильного взаимодействия — это исключительно важное (в том числе и с практической точки зрения!), сложное и многогранное явление. Благодаря сильному взаимодействию существует конфайнмент, благодаря нему протоны и нейтроны в ядрах держатся вместе, но при этом не сливаются друг с другом. Наконец, сильное взаимодействие «живет» исключительно нетривиальной жизнью даже в вакууме, вдали от протонов и нейтронов. Понять сильное взаимодействие во всех его проявлениях — задача не менее важная, чем открыть хиггсовский бозон или суперсимметрию.

Особенности ядерных столкновений

Рис. 1. Схематическое изображение последовательных этапов при столкновении тяжелых ядер высокой энергии. Из лекции и доклада Л. Маклеррана

На основании результатов предыдущих экспериментов и теоретических исследований предполагается, что столкновения тяжелых ядер сверхвысокой энергии протекают примерно так (слово «протекают» не должно вводить в заблуждение: все перечисленные ниже процессы происходят за считанные йоктосекунды и являются одними из самых быстрых явлений, которые смог изучить человек):

• Ядра, летящие со скоростью, очень близкой к скорости света, представляют собой сплюснутые «блины». Эти ядра состоят уже не из отдельных протонов и нейтронов, а, скорее, из коллективных облаков партонов. Среди моделей, описывающих такие ядра, наиболее популярна модель конденсата цветового стекла.
• Сразу после столкновения ядра проходят друг друга насквозь, но после этого между ними натягивается глюонное поле. Возникает необычное состояние вещества, которое многие называют «глазма».
• Глазма термализуется, то есть разрушается, порождая множество хаотично движущихся кварков, антикварков и глюонов. Это состояние и есть кварк-глюонная плазма.
• Кварк-глюонная плазма расширяется, остывает, и отдельные кварки объединяются в адроны. На месте кварк-глюонной плазмы появляется расширяющееся адронное облачко.

Несмотря на то что в самых общих чертах этот процесс понятен, в деталях остается много неясного. Детектируя разлетевшиеся адроны и анализируя данные, физики надеются понять, что же именно происходило на каждом этапе столкновения и даже непосредственно перед ним.

С точки зрения эксперимента, результаты столкновений ядер выглядят совсем не так, как столкновения протонов. В типичном ядерном столкновении рождаются тысячи отдельных частиц, однако их энергии и поперечные импульсы довольно малы. Поэтому для хорошего изучения ядерных столкновений нужно, чтобы детектор мог надежно измерять малые поперечные импульсы частиц и не запутывался бы в следах от тысяч частиц. Детектор ALICE, работающий на LHC, был специально оптимизирован для этих задач.

Полезно также подчеркнуть, что светимость Большого адронного коллайдера в режиме ядерных столкновений в миллионы раз меньше, чем для протон-протонных столкновений. Однако это не представляет никакой трудности для исследований, поскольку сечение ядерных столкновений очень велико. Геометрическое сечение для ядер свинца составляет примерно 8 барн, поэтому каждый обратный микробарн накопленной светимости отвечает 8 миллионам ядерных столкновений.

Физические вопросы и измеряемые величины

Основные вопросы, ответы на которые физики хотя получить из ядерных экспериментов на LHC, таковы:

• Как наиболее адекватно описать партонный состав ядер?
• В каком состоянии находятся ядра сразу после столкновения? Что именно представляет из себя глазма?
• При какой критической температуре появляется кварк-глюонная плазма?
• Каковы температура, давление, вязкость и прочие характеристики кварк-глюонной плазмы, образующейся на LHC? Какие теории лучше всего ее описывают?
• Как меняются свойства адронов внутри кварк-глюонной плазмы?
• Как кварк-глюонная плазма распадается на отдельные адроны?

В эксперименте невозможно подвести какой-то «щуп» внутрь кварк-глюонной плазмы, поэтому ответы на все вопросы приходится получать из косвенных методов, через регистрацию многочисленных адронов, рожденных в столкновении. Среди всего многообразия доступных для наблюдения величин есть несколько ключевых, которые хорошо «зарекомендовали себя» в предыдущих коллайдерных экспериментах с более низкими энергиями. Конкретно, физики будут обращать особое внимание на следующие величины:

• Количество рожденных адронов, их сорт, их распределение по быстроте и по поперечному импульсу, доля античастиц.
• Двухчастичные и многочастичные корреляции адронов, то есть «синхронность» рождения адронов в близких направлениях.
• Дисбаланс в рождении струй. Обычно адронные струи рождаются парами, но в случае ядер одна из струй может просто застрять («погаситься») в кварк-глюонной плазме.
• Вероятность вылета тяжелых мезонов (J/Ψ-мезонов и Υ-мезонов), которая очень чувствительна к условиям внутри кварк-глюонной плазмы.

Ультрапериферические столкновения ядер

Рис. 2. Ультрапериферические столкновения ядер. Источник изображения

Даже если ядра не столкнулись лоб в лоб, а просто пролетели мимо близко друг от друга, они тоже могут почувствовать друг друга благодаря электромагнитному взаимодействию, которое становится довольно мощным для тяжелых ядер (рис. 2). Такие процессы называются ультрапериферическими столкновениями — это столкновения «за периферией» ядерного вещества. Можно сказать, что ядро сталкивается не непосредственно с другим ядром, а с сопровождающим его облаком электромагнитного поля, то есть с потоком фотонов от встречного ядра. Такие столкновения тоже могут разрушать ядра или выбивать из них новые частицы. При правильном анализе они помогут просканировать партонное устройство ядер сверхвысокой энергии.

Более того, возможно даже столкновение двух потоков фотонов друг с другом, при котором могут рождаться другие частицы, например электрон-позитронные пары или мезоны.

Дополнительные ссылки:

• S. Abreu et al. Heavy Ion Collisions at the LHC — Last Call for Predictions // J. Phys.G 35, 054001 (2008); arXiv:0711.0974.
• A. J. Baltz et al. The Physics of Ultraperipheral Collisions at the LHC // Phys. Rept. 458, 1–171 (2008); arXiv:0706.3356.