Физики объяснили рождение «адских снежков» в столкновениях тяжелых ионов

Физики из Германии и США показали, что легкие частицы — так называемые «адские снежки» — рождаются в столкновениях тяжелых ионов за счет объединения нуклонов на поздних стадиях столкновения, а не за счет «вымерзания». Для этого ученые рассмотрели обе теории и показали, что приближения второй теории не выполняются, хотя она согласуется с экспериментом. Статья опубликована в Physical Review C и находится в открытом доступе, кратко о ней сообщает Physics.

В 2016 году группа ALICE опубликовала данные о столкновениях ядер свинца, разогнанных на Большом адронном коллайдере до энергии 2,76 тераэлектронвольт. Неожиданно ученые обнаружили, что в таких столкновениях рождаются легкие ядра — дейтроны, тритоны и альфа-частицы. Казалось бы, этот результат противоречит существующим теоретическим моделям: энергия связи легких ядер находится на уровне нескольких мегаэлектронвольт, тогда как температура кварк-глюонной плазмы, образующейся при столкновениях высокоэнергетических ядер, в сотни раз превышает это значение. Проще говоря, легкие ядра попросту должны «расплавиться» и распасться на отдельные нуклоны. Поэтому физики называют их «адскими снежками» («snowballs in hell» — в английском языке эта идиома означает что-то крайне маловероятное).

В настоящее время существует две основные теории, которые объясняют формирование «адских снежков». Первая теория предполагает, что выше некоторой температуры T_CFO система, образовавшаяся после столкновения ионов, находится в химическом равновесии, однако при падении температуры все адроны резко замораживаются. При температуре T_CFO ≈ 155 мегаэлектронвольт эта теория хорошо описывает экспериментальные данные. Вторая теория постулирует, что легкие ядра рождаются только на поздних стадиях столкновения, когда нуклонам, близко расположенным в фазовом пространстве, выгодно объединиться в легкое ядро. Эта теория предсказывает, что спектр образовавшихся легких ядер будет пропорционален определенным степеням спектров протонов и нейтронов, поэтому теоретически эту теорию можно проверить, сравнивая число ядер с разным соотношением между протонами и нейтронами. К сожалению, до сих пор такой эксперимент поставлен не был.

Группа физиков под руководством Дмитрия Олийниченко (Dmytro Oliinychenko) построила уточненную теоретическую модель и показала, что второе объяснение более правдоподобно. Для этого ученые использовали гибридный подход, то есть одновременно учитывали уравнения релятивистской гидродинамики и неравновесного переноса адронов. Чтобы точнее рассчитать спектр рождающихся дейтронов, ученые приблизили их точечными частицами, которые рождаются в гидродинамической фазе и в дальнейшем могут сталкиваться и рассеиваться на других частицах в адронной фазе. В предыдущих статьях ученые оценивали спектр этих частиц, объединяя спектры конечных нуклонов, или же рассматривали области низких энергий.

Вообще говоря, из гибридного подхода, который использовали физики, могут следовать обе теории. С одной стороны, первая теория следует из неравновесного переноса, если предположить, что в системе быстро устанавливается химическое равновесие, а адроны и легкие ядра быстро «замерзают» около гиперповерхности с постоянной температурой. С другой стороны, если дейтроны в основном производятся за счет уравновешенных реакций Xnp ↔ Xd (где X — произвольный адрон), из гибридного подхода следует вторая теория.

Однако расчеты ученых показали, что на практике предположения, из которых следует первая теория, не выполняются: дейтроны «замерзают» гораздо позже, чем более тяжелые адроны. Это связано с тем, что сечение неупругого рассеяния дейтронов на нуклонах превышает сечение упругого рассеяния (как правило, это соотношение развернуто в обратную сторону). Поэтому ученые считают, что основную роль в образовании дейтронов играют реакции πpn ↔ πd, имеющие большое сечение и стремящиеся привести дейтроны к равновесию. При этом не важно, успели они термализоваться в гидродинамической фазе или нет.

В частности, по этой причине даже «неправильная» теория хорошо согласуется с экспериментом, хотя необходимые для нее предположения не выполняются. Ученые объясняют этот результат следующим образом. С одной стороны, в адронной фазе число дейтронов растет за счет реакций πpn ↔ πd. С другой стороны, из-за аннигиляций B-мезонов и антимезонов число нуклонов в системе уменьшается, а вместе с ними падает и число дейтронов. Если дейтроны термализовались, в среднем эти реакции на их числе не сказываются; в противном случае, они стремятся его выровнять. В результате получается, что для этой теории неважно, термализовались дейтроны одновременно с остальными адронами или сильно позже.

В принципе, проверить последнее предположение можно на практике, наблюдая за рождением дейтронов в столкновениях тяжелых элементов на более низких энергиях. Если расчеты ученых верны, в этих реакциях число дейтронов будет превышать ожидаемое равновесное значение, поскольку время, за которое система успеет охладиться, будет меньше, чем время термализации. Для энергий порядка 2,76 электронвольт, с которыми работала группа ALICE, обе теории предсказывают правдоподобное значение.

На самом деле, основной задачей Большого адронного коллайдера является изучение столкновений протонов, на которых ускоритель достигает максимальной энергии. Поэтому эксперименты с тяжелыми ионами на нем проводят в течение всего нескольких недель в год. Более того, специализированные ускорители, целенаправленно изучающие столкновения тяжелых ионов, даже в чем-то превосходят БАК. В частности, один из таких коллайдеров, NICA, в настоящее время строится в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Физики надеются, что к 2021 году NICA уже будет работать на полную мощность. В марте прошлого года ученые уже запустили суперкомпьютер «Говорун», который будет обрабатывать данные с коллайдера. Прочитать об этом суперкомпьютере можно в материале «Петафлопс ума и сообразительности».

Дмитрий Трунин