Столкновения произошли на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США (DOE) для исследований в области ядерной физики в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США. Ученые со всего мира анализируют данные субатомных столкновений RHIC, чтобы получить представление о частицах и силах, из которых состоит видимая материя нашего мира.

В этих конкретных столкновениях фотоны действовали в некотором роде как рентгеновский луч, чтобы дать первое представление о том, как частицы, называемые глюонами, расположены внутри дейтрона.

"Глюон очень загадочен", - сказал физик из Брукхейвенской лаборатории Чжоудунмин Ту, который руководил этим проектом для RHIC's STAR Collaboration. Глюоны, как "носители" сильного взаимодействия,* являются клеем, который связывает кварки, внутренние строительные блоки протонов и нейтронов. Они также удерживают протоны и нейтроны вместе, образуя атомные ядра. "Мы хотим изучить распределение глюонов, потому что это один из ключей, который связывает кварки вместе. Такое измерение распределения глюонов в дейтроне никогда раньше не проводилось".

Кроме того, поскольку фотонно-дейтронные столкновения иногда разрывают дейтроны на части, столкновения могут помочь ученым понять этот процесс.

"Измерение распада дейтрона многое говорит нам об основных механизмах, которые удерживают эти частицы вместе в ядрах в целом", - сказал Ту.

Понимание глюонов и их роли в ядерной материи будет центральным направлением исследований на электронно-ионном коллайдере (EIC), будущей исследовательской установке по ядерной физике, находящейся на стадии планирования в Брукхейвенской лаборатории. В EIC физики будут использовать фотоны, генерируемые электронами, для исследования распределения глюонов внутри протонов и ядер, а также силы, удерживающей ядра вместе. Но Ту, который разрабатывал планы исследований в EIC, понял, что он может получить некоторые подсказки, просмотрев существующие данные экспериментов RHIC по дейтронам в 2016 году.

"Мотивация для изучения дейтрона заключается в том, что он прост, но в нем все еще есть все, что есть в сложном ядре", - объяснил Ту. "Мы хотим изучить простейший случай ядра, чтобы понять эту динамику, в том числе то, как они меняются при переходе от простого протона к более сложным ядрам, которые мы будем изучать в EIC".

Итак, он начал просматривать данные, собранные STAR по сотням миллионов столкновений в 2016 году.

"Данные были там. Никто не изучал распределение глюонов дейтрона, пока я не начал, когда был стипендиатом Goldhaber в 2018 году. Я только что присоединился к Брукхейвену и обнаружил эту связь с EIC".

Сияющий свет

RHIC может ускорять широкий спектр ионов - атомные ядра, лишенные своих электронов. Он может даже посылать пучки двух разных видов частиц, несущихся в противоположных направлениях через двойные кольца своего 2,4-мильного кругового ипподрома почти со скоростью света. Но он не может ускорять фотоны напрямую.

Но благодаря физике, недавно рассмотренной здесь, быстро движущиеся частицы с большим положительным зарядом излучают свой собственный свет. Итак, в 2016 году, когда RHIC сталкивался с дейтронами с высокозаряженными ионами золота, эти ускоряющиеся ионы золота были окружены облаками фотонов. Определив "ультрапериферийные столкновения" - когда дейтрон просто проглядывает сквозь облако фотонов ионов золота - Ту понял, что может изучать фотоны, взаимодействующие с дейтронами, чтобы заглянуть внутрь.

Характерным признаком этих взаимодействий является образование частицы под названием J/ psi, запускаемой фотоном, взаимодействующим с глюонами внутри дейтрона.

"Я нашел 350 Дж/фунт/кв.дюйм. Есть только 350 событий из сотен миллионов столкновений, зарегистрированных экспериментом STAR. На самом деле это очень редкое событие", - сказал Ту.

Хотя J / psi быстро распадается, ЗВЕЗДНЫЙ детектор может отслеживать продукты распада, чтобы измерить, сколько импульса было передано в результате взаимодействия. Измерение распределения передачи импульса во всех столкновениях позволяет ученым сделать вывод о распределении глюонов.

"Существует однозначная связь между передачей импульса ("толчком", придаваемым Дж / фунт/кв. дюйм) и тем, где глюон находится в дейтроне", - объяснил Ту. "В среднем глюоны внутри самого ядра дейтрона дают очень большой импульс. Глюоны на периферии дают меньший толчок. Таким образом, рассмотрение общего распределения импульса может быть использовано для составления карты распределения глюонов в дейтроне".

"Результаты нашего исследования заполнили пробел в нашем понимании глюонной динамики между свободным протоном и тяжелым ядром", - сказал Шуай Ян, сотрудник STAR из Южно-Китайского педагогического университета. Янг был ведущим физиком в области использования света, испускаемого быстро движущимися ионами, для изучения свойств ядерной материи при ультрапериферийных столкновениях ядро-ядро в RHIC и на европейском Большом адронном коллайдере (БАК). "Эта работа строит мост, соединяющий физику элементарных частиц и ядерную физику", - сказал он.

Другой ведущий автор, Уильям Шмидке из Брукхейвенской лаборатории, сказал: "На самом деле мы изучали этот процесс в течение многих лет. Но это первый результат, который говорит нам о глюонной динамике как для отдельных нуклонов (собирательный термин для протонов и нейтронов), так и для ядра в одной и той же системе".

Изучение распада дейтрона

В дополнение к генерации частицы J / psi, каждое фотон-глюонное взаимодействие также дает импульс, который отклоняет дейтрон - или разбивает это простое ядро на протон и нейтрон. Изучение процесса распада дает представление о генерируемой глюонами силе, которая удерживает ядра вместе.

В случае распада положительно заряженный протон отклоняется в магнитном поле ускорителя RHIC. Но нейтральный нейтрон продолжает двигаться прямо вперед. Чтобы улавливать эти "наблюдательные нейтроны", у STAR есть детектор, расположенный на расстоянии 18 метров от ее центра прямо вдоль линии луча на одном конце.

"Этот процесс очень прост", - отметил Ту. "В центре ЗВЕЗДЫ образуется только один Дж/пси. Единственные другие частицы, которые могут быть созданы, образуются в результате этого распада дейтрона. Итак, каждый раз, когда вы получаете нейтрон, вы знаете, что это происходит в результате распада дейтрона. ЗВЕЗДНЫЙ детектор может однозначно измерить этот процесс при высокой энергии".

Измерение того, как процесс распада связан с частицей J / psi, образующейся в результате взаимодействия глюонов, может помочь ученым понять роль глюонов во взаимодействии между протонами и нейтронами. Эти знания могут отличаться от того, что ученые понимают об этих взаимодействиях при низкой энергии.

"При высокой энергии фотон "не видит" почти ничего, кроме глюонов внутри дейтрона", - сказал Ту. "После того, как глюоны "ударяют" частицу J / psi, то, как этот "удар" приводит к распаду, весьма вероятно, связано с глюонной динамикой между протоном и нейтроном. Преимущество этого измерения заключается в том, что мы можем экспериментально идентифицировать канал, в котором доминируют глюоны, и ядерный распад одновременно ".

Кроме того, Tu отмечает, что измерение нейтронов, образующихся в результате ядерного распада - обычно известное как "метка наблюдателя" - является широким и полезным методом и, безусловно, будет использоваться в будущем EIC.

Но в EIC "аппаратура будет намного лучше и будет иметь больший охват", - пояснил он. "Мы сможем еще больше повысить точность измерений пространственного распределения глюонов от легких ядер к тяжелым ядрам. А детекторные системы EIC будут фиксировать почти все, что связано с распадом ядра, так что мы сможем еще более подробно изучить, как нуклоны взаимодействуют друг с другом".

Другими ключевыми участниками, которые сотрудничали при выполнении сложного анализа данных для этого исследования, являются физики Брукхейвенской лаборатории Ярослав Адам, Зилонг Чанг и Томас Ульрих.

* Сильное взаимодействие - это самая сильная из четырех фундаментальных сил в природе (сильная, слабая, электромагнитная и гравитационная сила). И в отличие от любой другой силы, сила взаимодействия становится больше с увеличением расстояния. Сила связи между двумя кварками на расстоянии более 10^-15 метров (дальше миллионной миллиардной доли метра) - это более 10 тонн!