Это результат, который формировался десятилетиями. Первоначально набор данных был собран в 2004 году. Ламиаа Эль Фаси, ныне адъюнкт-профессор физики в Университете штата Миссисипи и главный исследователь работы, впервые проанализировала эти данные во время своего дипломного проекта, чтобы получить степень магистра по другой теме.

Почти десять лет спустя после завершения своего первоначального исследования с использованием этих данных Эль Фаси вновь обратилась к набору данных и провела со своей группой тщательный анализ, чтобы получить эти беспрецедентные измерения. Набор данных получен в результате экспериментов на ускорителе непрерывного электронного пучка Jefferson Lab (CEBAF), пользовательском оборудовании DOE. В ходе эксперимента физики-ядерщики проследили, что происходит, когда электроны из CEBAF рассеиваются от ядра-мишени и исследуют замкнутые кварки внутри протонов и нейтронов. Результаты были недавно опубликованы в Письма с физическим обзором.

"Эти исследования помогают создать историю, аналогичную кинофильму, о том, как пораженный кварк превращается в адроны. В новой статье мы сообщаем о первых в истории наблюдениях такого исследования для лямбда-бариона в областях прямой и обратной фрагментации", - сказал Эль Фаси.

Входит, как лямбда, выходит, как пион

Подобно более знакомым протонам и нейтронам, каждая лямбда состоит из трех кварков.

В отличие от протонов и нейтронов, которые содержат только смесь вверх и вниз кварки, лямбды содержат один вверх кварк, один вниз кварк и один странный кварк. Физики назвали материю, содержащую странный кварки - "странная материя".

В этой работе Эль Фаси и ее коллеги изучали, как эти частицы странной материи образуются в результате столкновений с обычной материей. Для этого они направили электронный луч CEBAF на различные мишени, включая углерод, железо и свинец. Когда электрон высокой энергии из CEBAF достигает одной из этих мишеней, он расщепляет протон или нейтрон внутри одного из ядер мишени.

"Поскольку протон или нейтрон полностью распадаются на части, нет никаких сомнений в том, что электрон взаимодействует с кварком внутри", - сказал Эль Фаси.

После того, как электрон взаимодействует с кварком или кварками посредством обмена виртуальным фотоном, "пораженный" кварк (ы) начинает двигаться как свободная частица в среде, обычно соединяясь с другими кварками, с которыми он сталкивается, чтобы сформировать новую составную частицу по мере их распространения через ядро. И иногда эта составная частица будет представлять собой лямбду.

Но лямбда недолговечна - после образования она быстро распадается на две другие частицы: пион и либо протон, либо нейтрон. Чтобы измерить различные свойства этих кратковременно созданных лямбда-частиц, физики должны обнаружить две дочерние частицы, а также пучок электронов, рассеявшийся от ядра мишени.

В эксперименте EG2, в ходе которого были собраны эти данные, использовался детектор CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS) в экспериментальном зале B. лаборатории Джефферсона. Эти недавно опубликованные результаты, "Первое измерение ? Электропроизводство ядер в текущей и целевой областях фрагментации" являются частью сотрудничества CLAS, в котором участвуют почти 200 физиков по всему миру.

Сб

Эта работа является первой, в которой измеряется лямбда-сигнал с использованием этого процесса, который известен как полуохватывающее глубокое неупругое рассеяние, в областях прямой и обратной фрагментации. Этот метод сложнее использовать для изучения лямбда-частиц, потому что частица распадается так быстро, что ее невозможно измерить непосредственно.

"Измерения такого класса ранее проводились только на протонах и на более легких и стабильных частицах", - сказал соавтор Уильям Брукс, профессор физики Технического университета Федерико Санта-Мария и один из представителей эксперимента EG2.

Анализ был настолько сложным, что Эль Фаси и ее группе потребовалось несколько лет, чтобы повторно проанализировать данные и извлечь эти результаты. Именно ее научный руководитель Кавтар Хафиди побудил ее продолжить исследование лямбды на основе этих наборов данных.

"Я хотел бы воздать должное усердию и настойчивости Ламиаа, посвятившей годы своей карьеры работе над этим", - сказал Хафиди, заместитель директора лаборатории физических наук и инженерии Аргоннской национальной лаборатории и сопредседатель эксперимента EG2. "Без нее эта работа не увенчалась бы успехом".

"Это было нелегко", - сказал Эль Фаси. "Это долгий и отнимающий много времени процесс, но он стоил затраченных усилий. Когда ты тратишь столько лет на работу над чем-то, приятно видеть это опубликованным".

Эль Фаси начала проводить этот лямбда-анализ, когда сама была постдоком, за пару лет до того, как стала доцентом в Университете штата Миссисипи. Попутно несколько ее собственных постдоков в штате Миссисипи помогли получить эти результаты, в том числе соавтор Тая Четри.

"Я очень счастлив и мотивирован видеть публикацию этой работы", - сказал Четри, который в настоящее время является постдокторским исследователем в Международном университете Флориды.

Двое за одного

Примечательный вывод, полученный в результате этого интенсивного анализа, меняет представление физиков о том, как образуются лямбды в результате столкновений частиц.

В аналогичных исследованиях, в которых использовалось полуохватывающее глубокое неупругое рассеяние для изучения других частиц, интересующие частицы обычно образуются после того, как один кварк был "поражен" виртуальным фотоном, обменявшимся между электронным пучком и ядром-мишенью. Но сигнал, оставленный lambda в детекторе CLAS, предполагает более комплексную сделку.

Анализ авторов показал, что при формировании лямбды виртуальный фотон частично поглощался парой кварков, известных как дикварк, а не только одним. После того, как этот дикварк был "поражен", он нашел странный кварк и образовал лямбду.

"Это спаривание кварков предполагает иной механизм образования и взаимодействия, чем в случае взаимодействия одного кварка", - сказал Хафиди.

Лучшее понимание того, как образуются различные частицы, помогает физикам в их усилиях расшифровать сильное взаимодействие, фундаментальную силу, которая удерживает эти кварксодержащие частицы вместе. Динамика этого взаимодействия очень сложна, как и теория, используемая для его описания: квантовая хромодинамика (КХД).

Сравнение измерений с моделями предсказаний КХД позволяет физикам проверить эту теорию. Поскольку обнаружение дикварка отличается от текущих прогнозов модели, это наводит на мысль, что в модели что-то не так.

"Есть неизвестный ингредиент, который мы не понимаем. Это чрезвычайно удивительно, поскольку существующая теория может описать, по существу, все другие наблюдения, но не это", - сказал Брукс. "Это означает, что есть чему поучиться, и на данный момент мы понятия не имеем, что бы это могло быть".

Чтобы выяснить это, им потребуется еще больше измерений.

Данные для EG2 были собраны с помощью электронных пучков с энергией 5,014 ГэВ (миллиард электрон-вольт) в эпоху CEBAF с энергией 6 ГэВ. В будущих экспериментах будут использоваться электронные пучки из обновленного CEBAF, которые теперь распространяются до 11 ГэВ для экспериментального зала B, а также обновленный детектор CLAS, известный как CLAS12, для продолжения изучения образования различных частиц, включая лямбды, с электронами более высокой энергии.

Предстоящий электронно-ионный коллайдер (EIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории также предоставит новую возможность продолжить изучение этой странной материи и структуры спаривания кварков в нуклоне с большей точностью.

"Эти результаты закладывают основу для предстоящих исследований на предстоящем CLAS12 и запланированных экспериментах EIC, где можно более детально исследовать рассеяние дикварков", - сказал Четри.

Эль Фаси также является соавтором измерений распространения кварков и образования адронов CLAS12. Когда данные новых экспериментов будут, наконец, готовы, физики сравнят их с предсказаниями КХД, чтобы еще больше усовершенствовать эту теорию.

"Любое новое измерение, которое даст новую информацию для понимания динамики сильных взаимодействий, очень важно", - сказала она.