На БАКе подтвердили эффект мертвого конуса

Коллаборация ALICE представила результаты реконструкции партонного ливня, испущенного очарованным кварком, по характеристикам продуктов распада струй D⁰-мезонов. Физики исследовали угловые распределения излучаемых кварком глюонов и обнаружили, что это излучение подавлено в пределах некоторого конуса, что было предсказано много лет назад российскими теоретиками. Результаты исследования направлены в Nature, препринт доступен на arXiv.org.

Обновлено: в мае 2022 года статья опубликована в Nature.

Сегодня физикам известно, что протоны, нейтроны и другие адроны состоят из кварков и глюонов, которые объединяют под общим термином «партоны». Партоны участвуют в сильном взаимодействии и обладают тем свойством, что их невозможно наблюдать по одиночке. Это сильно затрудняет их исследование. Несмотря на это, физикам удается делать выводы о свойствах кварков и глюонов косвенно, анализируя продукты реакций, происходящих в ускорителях, в том числе и на Большом адронном коллайдере.

Среди прочего физики выяснили, что при столкновении частиц с очень большими энергиями, рассеянные высокоэнергетические кварки начинают каскадно испускать глюоны. Этот процесс получил название партонного ливня. В конечном итоге продукты партонного ливня адронизируются в частицы, которые можно детектировать напрямую.

Оказалось, что процесс испускания глюонов имеет ограничения. В начале 90-х гг. сотрудники Петербургского института ядерной физики РАН (ПИЯФ, сейчас входит в состав Курчатовского института) в рамках квантовой хромодинамики показали, что из-за наличия у кварка массы излучение им глюонов должно быть подавлено, причем угол этого конуса определяется через отношение массы кварка к его энергии. Явление получило название «эффект мертвого конуса». Он был косвенно подтвержден в нескольких экспериментах на разных коллайдерах, но прямого свидетельства его существования до недавнего времени не было.

В новой работе коллаборация ALICE сообщила о первом прямом наблюдении эффекта мертвого конуса с помощью реконструкции партонного ливня очарованного кварка. Очарованный кварк был выбран по причине его большой относительно других кварков массы. Большая масса означает бо́льший угол мертвого конуса, а значит и более достоверное его подтверждение.

О рождении очарованного кварка свидетельствует наличие струй D⁰-мезонов, которые в свою очередь детектировались по продуктам их распада, каонам и пионам. Стартуя с параметров восстановленных D⁰-мезонов, физики сначала реконструировали историю появления частиц в струе, а затем, на основе этих данных, определяли параметры очарованного кварка.

Имея знания о кинематических свойствах каждого акта излучения, ученые набирали статистику по углам, под которыми вылетали глюоны. Аналогичная процедура была проведена для всех струй в целом, без конкретизации аромата излучающего кварка. Отношение распределений по углам в обоих случаях чувствительно к наличию любых угловых ограничений. Оно было исследовано для различных энергий излучающего кварка.

Для полноты анализа физики провели симуляцию исследуемых процессов с помощью алгоритмов SHERPA и PYTHIA 8, в рамках которых можно было включать и выключать эффект мертвого конуса. Оказалось, что экспериментальные данные об отношении угловых распределений действительно описываются симуляциями, если учитывать в них указанный эффект. Вместе с тем, выключение эффекта мертвого конуса отодвигало результаты моделирования от наблюдаемых в опыте на семь стандартных отклонений. Этот факт достоверно подтверждает сделанное ранее предсказание.

В заключении авторы отмечают, что эффект мертвого конуса следует искать также и в партонных ливнях, испускаемых прелестными кварками, так как их масса даже больше, чем масса очарованных кварков. Кроме того, обнаруженный эффект было бы интересно пронаблюдать в условиях кварк-глюонной плазмы, которую уже научились получать, сталкивая очень быстрые тяжелые ионы, поскольку излучение глюонов – это основной процесс потери энергии в таком состоянии вещества.

Исследуя процессы с участием кварков и глюонов, ученые часто обнаруживают необычные эффекты. Недавно мы рассказывали, как D⁰-мезон поймали за превращением в свою античастицу.

Марат Хамадеев