Как поясняется в документе, расчеты основаны на гидродинамическом потоке частиц, наблюдаемом при лобовых столкновениях различных типов ионов как на БАКЕ, так и на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США для исследований в области ядерной физики в Брукхейвенской лаборатории. С незначительными изменениями эти расчеты также описывают схемы течения, наблюдаемые при столкновениях вблизи цели, когда фотоны, образующие облако вокруг ускоряющихся ионов, сталкиваются с ионами в противоположном пучке.

"В результате получается, что, используя ту же структуру, которую мы используем для описания столкновений свинец-свинец и протон-свинец, мы можем описать данные этих ультрапериферийных столкновений, когда фотон сталкивается с ядром свинца", - сказал теоретик Брукхейвенской лаборатории Бьорн Шенке, соавтор статьи. "Это говорит вам о том, что существует вероятность того, что в этих фотонно-ионных столкновениях мы создаем небольшую плотную сильно взаимодействующую среду, которая хорошо описывается гидродинамикой - точно так же, как в более крупных системах".

Сигнатуры жидкости

Наблюдения за частицами, движущимися характерными путями, были ключевым доказательством того, что более крупные системы столкновений (столкновения свинец-свинец и протон-свинец на БАК; и столкновения золото-золото и протон-золото на RHIC) создают почти идеальную жидкость. Считалось, что характер течения обусловлен огромными градиентами давления, создаваемыми большим количеством сильно взаимодействующих частиц, образующихся там, где сталкивающиеся ионы накладываются друг на друга.

"Разбивая эти высокоэнергетические ядра вместе, мы создаем такую высокую плотность энергии - сжимаем кинетическую энергию этих парней в такое маленькое пространство, - что этот материал, по сути, ведет себя как жидкость", - сказал Шенке.

Ожидается, что сферические частицы (включая протоны и ядра), сталкивающиеся лоб в лоб, создадут равномерный градиент давления. Но частично перекрывающиеся столкновения создают продолговатый, миндалевидный градиент давления, который выталкивает больше частиц высокой энергии вдоль короткой оси, чем перпендикулярно к ней.

Этот паттерн "эллиптического потока" был одним из первых намеков на то, что столкновения частиц в RHIC могут создать кварк-глюонную плазму, или QGP - горячий суп из фундаментальных строительных блоков, из которых состоят протоны и нейтроны ядер / ионов. Сначала ученые были удивлены жидкоподобным поведением QGP. Но позже они установили, что эллиптический поток является определяющей чертой QGP и доказательством того, что кварки и глюоны все еще сильно взаимодействуют, даже будучи свободными от ограничения отдельными протонами и нейтронами. Более поздние наблюдения аналогичных моделей течения при столкновениях протонов с крупными ядрами интригующе предполагают, что эти системы протонно-ядерных столкновений также могут создавать крошечные частицы кварк-глюонного супа.

"Наша новая статья посвящена тому, как довести это дело до еще больших крайностей, рассматривая столкновения между фотонами и ядрами", - сказал Шенке.

Смена снаряда

Давно известно, что ультрапериферийные столкновения могут создавать взаимодействия фотон-ядро, используя сами ядра в качестве источника фотонов. Это потому, что заряженные частицы, ускоренные до высоких энергий, такие как ядра / ионы свинца, ускоренные на БАК (и ионы золота в RHIC), излучают электромагнитные волны - частицы света. Таким образом, каждый ускоренный ион свинца в БАКЕ, по существу, окружен облаком фотонов.

"Когда два из этих ионов проходят друг мимо друга очень близко, не сталкиваясь, вы можете думать о том, что один из них испускает фотон, который затем попадает на ион свинца, идущий в другую сторону", - сказал Шенке. "Такие события происходят часто; ионам легче едва промахнуться, чем точно попасть друг в друга!"

Ученые ATLAS недавно опубликовали данные об интригующих потокообразных сигналах от этих столкновений фотонов с ядрами.

"Нам пришлось разработать специальные методы сбора данных, чтобы выделить эти уникальные столкновения", - сказал Блэр Зайдлиц, физик из Колумбийского университета, который помог создать триггерную систему ATLAS для анализа, когда он был аспирантом в Университете Колорадо в Боулдере. "Собрав достаточное количество данных, мы были удивлены, обнаружив потокообразные сигналы, которые были похожи на те, что наблюдались при столкновениях свинец-свинец и протон-свинец, хотя они были немного меньше".

Шенке и его сотрудники решили выяснить, могут ли их теоретические расчеты точно описать характер потока частиц.

Они использовали те же гидродинамические расчеты, которые описывают поведение частиц, образующихся в системах столкновения свинец-свинец и протон-свинец. Но они внесли несколько корректив, чтобы учесть, что "снаряд", поражающий ядро свинца, превращается из протона в фотон.

Согласно законам физики (в частности, квантовой электродинамики), фотон может подвергаться квантовым флуктуациям, чтобы стать другой частицей с теми же квантовыми числами. Ро-мезон, частица, состоящая из особой комбинации кварка и антикварка, удерживаемых вместе глюонами, является одним из наиболее вероятных результатов этих фотонных флуктуаций.

Если вы вспомните протон, состоящий из трех кварков, то эта двухкварковая rho-частица - всего лишь ступенька вниз по лестнице сложности.

"Вместо распределения глюонов вокруг трех кварков внутри протона у нас есть два кварка (кварк-антикварк) с распределением глюонов вокруг тех, которые сталкиваются с ядром", - сказал Шенке.

Учет энергии

Расчеты также должны были учитывать большую разницу в энергии в этих системах столкновения фотонов и ядер по сравнению с системами протон-свинец и особенно свинец-свинцовый.

"Испущенный фотон, который сталкивается со свинцом, будет нести не весь импульс ядра свинца, из которого он исходил, а лишь крошечную его часть. Таким образом, энергия столкновения будет намного ниже", - сказал Шенке.

Эта разница в энергии оказалась даже более важной, чем смена снаряда.

При наиболее энергичных столкновениях тяжелых ионов свинец-свинец или золото-золото структура частиц, возникающих в плоскости, поперечной встречным лучам, обычно сохраняется независимо от того, как далеко вы смотрите от точки столкновения вдоль линии луча (в продольном направлении). Но когда Шенке и его коллеги смоделировали структуру частиц, которые, как ожидается, появятся в результате столкновений фотонов с более низкой энергией, стало очевидно, что включение 3D-деталей продольного направления имеет значение. Модель показала, что геометрия распределения частиц быстро меняется с увеличением продольного расстояния; частицы становятся "декоррелированными".

"Частицы испытывают различные градиенты давления в зависимости от их продольного положения", - объяснил Шенке.

"Итак, для этих низкоэнергетических столкновений фотонов со свинцом важно запустить полную 3D-гидродинамическую модель (которая требует больших вычислительных затрат), потому что распределение частиц меняется быстрее, когда вы выходите в продольном направлении", - сказал он.

Когда теоретики сравнили свои прогнозы, используя эту низкоэнергетическую, полную 3D-гидродинамическую модель, с картинами потока частиц, наблюдаемыми при столкновениях фотонов с детектором ATLAS, данные и теория хорошо совпали, по крайней мере, для наиболее очевидной эллиптической модели потока, сказал Шенке.

Последствия и будущее

"Исходя из этого результата, кажется возможным, что даже при столкновениях фотонов с тяжелыми ионами мы имеем сильно взаимодействующую жидкость, которая реагирует на начальную геометрию столкновения, как описано гидродинамикой", - сказал Шенке. "Если энергии и температуры будут достаточно высокими, - добавил он, - то возникнет кварк-глюонная плазма".

"Вполне возможно, что при столкновениях фотонов с тяжелыми ионами мы имеем сильно взаимодействующую жидкость", - сказал теоретик Брукхейвенской лаборатории Бьорн Шенке.

Зайдлиц, физик из ATLAS, прокомментировал: "Было очень интересно увидеть эти результаты, свидетельствующие о формировании маленькой капли кварк-глюонной плазмы, а также о том, как этот теоретический анализ предлагает конкретные объяснения того, почему сигнатуры потока немного меньше при столкновениях фотонов со свинцом".

Дополнительные данные, которые будут собраны ATLAS и другими экспериментами в RHIC и LHC в течение следующих нескольких лет, позволят провести более детальный анализ частиц, возникающих в результате столкновений фотона с ядром. Эти анализы помогут отличить гидродинамический расчет от другого возможного объяснения, в котором характер течения не является результатом реакции системы на исходную геометрию.

В более отдаленном будущем эксперименты на электронно-ионном коллайдере (EIC), установке, которую планируется заменить RHIC где-то в следующем десятилетии в Брукхейвенской лаборатории, могли бы дать более окончательные выводы.