Орбитальное движение глюонов не повлияло на излучение от столкновений протонов

Физики из коллаборации PHENIX исследовали влияние орбитального движения глюонов в протонах на баланс рождения фотонов при столкновении протонных пучков. Для этого они выравнивали спины протонов в одном из пучков по направлению, перпендикулярному их движению, и измеряли разницу в числе вылетающих фотонов по левую и правую сторону. В результате они не обнаружили статистически значимой асимметрии, что будет иметь значение для моделей квантовой хромодинамики. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Протон, хотя и оказался важным кирпичиком, из которого состоит материя на атомарно-молекулярном уровне, сам по себе довольно сложно устроен. Причина этого в том, что взаимодействие между его составными частями — глюонами и кварками, которые часто называют партонами — очень сильное. Другая проблема заключается в том, что мы не можем исследовать глюоны и кварки по отдельности, и единственный способ, чтобы получить хоть какую-то информацию — это сталкивать быстрые адроны в коллайдерах.

Несмотря на эти трудности, картина об устройстве протона постепенно проясняется. Так, например, мы уже знаем, что помимо трех основных кварков протон содержит в себе море кварк-антикварковых пар. Также физики смогли оценить вклад партонов в массу и спин протона. Последний складывается не только из спинов партонов, но и из их орбитального движения.

В попытке ответить на вопрос, из чего же все-таки состоит спин протона, физики из коллаборации PHENIX, базирующейся в Брукхэвенской национальной лаборатории, уже несколько лет экспериментируют со спин-поляризованными протонами. Протоны считаются поляризованными по спину в том или ином направлении, если его среднее значение существенно отличается от нуля. Ранее мы уже рассказывали, как, сталкивая такие пучки, физики выяснили роль глюонов в формировании спина, которая оказалась сопоставимой с ролью кварков.

Теперь же физики из PHENIX представили результаты, в которых попытались получить информацию об орбитальном движении глюонов. Идея метода заключается в столкновении двух пучков протонов, один из которых поляризован таким образом, что большинство его спинов направлено перпендикулярно движению частиц. Если вращение глюонов вокруг выделенной оси действительно играет существенную роль, то продукты такого столкновения, в частности, фотоны, должны рождаться по-разному справа и слева от пучка.

Для проверки этой идеи физики производили столкновения протонов с энергией 200 гигаэлектронвольт. Для уменьшения систематических ошибок они чередовали направление поляризации протонных импульсов, следующих друг за другом, с интервалом в 106 наносекунд. Степень поляризации протонов, летящих по коллайдеру по часовой и против часовой стрелки составила 0,58±0,02 и 0,06±0,02, соответственно.

Фотоны, рождаемые в таких столкновениях, становятся продуктом жесткого рассеяния партонов, то есть такого процесса, при котором у рассеянных частиц появляется большой поперечный импульс. Поскольку фотоны не участвуют в сильном взаимодействии, они несут прямую информацию о протонной структуре. Детекторы по обе стороны от пучков собирали фотоны в диапазоне азимутальных углов, равном π/2, и диапазоне псевдобыстрот, меньших по модулю, чем 0,35.

Для этих диапазонов физики ожидали, что доминирующий вклад будут давать процессы комптоновского рассеяния кварка из одного протона на глюоне из другого. Однако помимо них в детекторы попадали фотоны, рождаемые в других процессах, например, распады нейтральных пионов, и даже заряженные частицы. Для борьбы с ними исследователи проводили множественную фильтрацию по разнообразным признакам.

В результате большого числа измерений и их усреднений по направлениям поляризаций физики построили зависимость параметра асимметрии от величины поперечного импульса фотонов. Аккуратный учет всех систематических и статистических неопределенностей привел к тому, что эта величина соответствовала нулю в пределах стандартного отклонения. Другими словами, они не обнаружили какой-либо асимметрии при излучении фотонов.

Физики подчеркивают, что проведенное ими исследование — это первый пример использования фотонов для исследования поперечно поляризованных протонных пучков, а также первое за 30 лет измерение подобной асимметрии, которое имеет точность в 50 раз большую, чем у предшественников. Их результат даст теоретикам существенные ограничения на связь между орбитальным движением глюонов и спином протона.

Ученые из коллаборации PHENIX регулярно находят новые эффекты. Мы уже рассказывали, как они смогли зафиксировать кварк-глюонную плазму от столкновений легких ядер с тяжелыми и получить ее капли круглой, эллиптической и треугольной форм.

Марат Хамадеев