"Мы изменили вид сталкивающегося пучка ионов, потому что теоретики предсказывали, что этот признак насыщения будет легче наблюдать в более тяжелых ядрах", - объяснил физик Брукхейвенской лаборатории Сяосюань Чу, член STAR collaboration, который руководил анализом. "Хорошо то, что RHIC, самый гибкий в мире коллайдер, может ускорять различные виды ионных пучков. В нашем анализе мы использовали столкновения протонов с другими протонами, алюминием и золотом."

Насыщение должно быть легче увидеть в алюминии и даже легче в золоте, по сравнению с более простыми протонами, объяснил Чу, потому что в этих более крупных ядрах больше протонов и нейтронов, каждый из которых состоит из кварков и глюонов.

Предыдущие эксперименты показали, что когда ионы ускоряются до высоких энергий, глюоны расщепляются, один на два, чтобы размножиться до очень больших чисел. Но ученые подозревают, что размножение глюонов не может продолжаться вечно. Вместо этого в ядрах, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, где релятивистское движение сплющивает ядра в ускоряющиеся глюонные "блины", перекрывающиеся глюоны должны начать рекомбинировать.

"Если скорость рекомбинации двух глюонов в один уравновешивает скорость расщепления одиночных глюонов, плотность глюонов достигает устойчивого состояния, или плато, где она не повышается и не понижается. Это насыщение", - сказал Чу. "Поскольку в более крупных ядрах больше глюонов и больше перекрывающихся глюонов, эти более крупные ионы должны проявлять признаки рекомбинации и насыщения с большей готовностью, чем более мелкие", - добавила она.

Сканирование для поиска пар "спина к спине"

Чтобы найти эти признаки, ученые STAR отсканировали данные, собранные в 2015 году, на предмет столкновений, в которых пара частиц "пи ноль" попала в прямой мезонный спектрометр STAR в конфигурации "спина к спине". В этом случае "спина к спине" означает 180 градусов друг от друга вокруг круглой мишени на конце детектора в прямом направлении зондирующего протонного пучка. Эти столкновения выбирают для взаимодействия между одним высокоэнергетическим кварком из зондирующего протона с одним глюоном с низким импульсом в ионе-мишени (протон, алюминий или золото).

"Мы используем кварк из протона как инструмент или зонд для изучения глюона внутри другого иона", - сказал Чу.

Команду особенно интересовали глюоны с "малой долей импульса" - множество глюонов, каждый из которых несет крошечную долю общего импульса ядра. Эксперименты на ускорителе HERA в Германии (1992-2007) показали, что при высокой энергии в протонах и во всех ядрах доминируют эти глюоны с малой долей импульса.

Чу объяснил, что при протон-протонных столкновениях кварк-глюонные взаимодействия очень просты. "Две частицы - кварк и глюон - ударяются друг о друга и генерируют две частицы пи-ноль спина к спине", - сказала она.

Но когда кварк из протона сталкивается с глюоном в более крупном сплющенном ядре, где многие глюоны перекрываются, взаимодействия могут быть более сложными. Кварк - или пораженный глюон - может породить несколько дополнительных глюонов. Или глюон может рекомбинировать с другим глюоном, потеряв всю "память" о своей первоначальной тенденции испускать ноль пи.

Оба процесса - многократное рассеяние и рекомбинация глюонов - должны "размазать" обратный нулевой сигнал, объяснила Эльке Ашенауэр, руководитель экспериментальной группы "Холодной КХД" Брукхейвенской лаборатории, которая исследует детали квантовой хромодинамики (КХД), теории, управляющей взаимодействиями кварков и глюонов в протоны и ядра.

"Итак, протон-протонные столкновения дают нам исходную точку", - сказал Чу. "В этих столкновениях у нас нет насыщения, потому что недостаточно глюонов и недостаточно перекрытий. Чтобы определить насыщенность, мы сравниваем наблюдаемую корреляцию двух частиц в трех системах столкновений."

Результаты совпадают с теорией предсказания

Результаты оказались именно такими, как предсказывали теории: физики наблюдали наименьшее количество взаимно коррелированных частиц, попадающих в детектор при столкновениях протон-золото, промежуточный уровень при столкновениях протон-алюминий и самую высокую корреляцию при базовых столкновениях протон-протон.

Подавление нулевой корреляции pi в более крупных ядрах и тот факт, что подавление становится сильнее, чем больше становится ядро, являются, по словам ученых, четким доказательством глюонной рекомбинации, необходимой для достижения глюонного насыщения.

"STAR продолжит эти измерения, собирая дополнительные данные в 2024 году, используя недавно модернизированные компоненты детектора forward, отслеживая другие наблюдаемые объекты, которые также должны быть чувствительны к насыщению", - объяснил физик Брукхейвенской лаборатории Акио Огава, член STAR collaboration и ключевой игрок в создании новых систем детектора forward STAR.

В совокупности результаты RHIC также станут важной основой для очень похожих измерений на будущем электронно-ионном коллайдере (EIC), который строится в Брукхейвене для столкновения электронов с ионами.

По словам Ашенауэра, одного из физиков, разрабатывающих планы исследований на этом объекте: "Если мы измерим это сейчас в RHIC при энергии столкновения 200 миллиардов электрон-вольт (ГэВ), это очень похоже на энергию столкновения, которую мы получим в EIC. Это означает, что мы можем использовать ту же наблюдаемую в EIC, чтобы проверить, являются ли рекомбинация и насыщение универсальными свойствами ядер, как предсказывают модели насыщения ".

Наблюдение одного и того же результата на обоих объектах "доказало бы, что эти свойства не зависят от структуры и типа зонда, который мы используем для их изучения", - сказала она.

Это исследование финансировалось Управлением науки Министерства здравоохранения (NP), Национальным научным фондом и рядом международных агентств, указанных в опубликованном документе. Команда STAR использовала вычислительные ресурсы в RHIC и ATLAS Computing Facility/Центре научных данных и вычислений в Брукхейвенской лаборатории, Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) - пользовательском центре Министерства энергетики США в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли - и консорциуме Open Science Grid.