На Большом адронном коллайдере измерили силу взаимодействия протонов с φ-мезонами

Коллаборация ALICE, работающая на Большом адронном коллайдере, впервые измерила силу взаимодействия протона с φ-мезоном. Это взаимодействие оказалось притягивающим. Результаты помогут разобраться в свойствах конденсатов полей в вакууме квантовой хромодинамики, которые влияют на свойства всех сильновзаимодействующих частиц. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Понятие вакуума в квантовой хромодинамике очень далеко от пустого пространства, в котором ничего не происходит. В вакууме глюонные и кварковые поля флуктуируют, и эти флуктуации оказывают влияние на свойства наблюдаемых сильновзаимодействующих частиц — адронов. Сами же адроны можно рассматривать как возбуждения над кварковым и глюонным конденсатами.

Свойства вакуума могут измениться в очень горячей или плотной среде и, в частности, вакуум внутри атомного ядра отличается от вакуума снаружи — величины флуктуаций глюонного и кварковых полей меняются. Различия в свойствах конденсатов приводят к различиям в динамике адронов, которую можно исследовать экспериментально. Из сравнения параметров сильновзаимодействующих частиц внутри и снаружи ядерного вещества можно вывести различия в свойствах вакуума. Этот способ очень полезен, потому что физику хромодинамического вакуума почти невозможно исследовать теоретически, так как теория возмущений — основной метод проведения вычислений в квантовой теории поля — неприменима к таким задачам.

Для исследования свойств вакуума внутри атомного ядра удобно измерять параметры взаимодействия очень короткоживущих адронов, чтобы родившись в ядре, такая частица успела там же и распасться, провзаимодействовав только внутри ядерного вещества. Одним из таких адронов является φ-мезон, состоящий из s-кварка и его античастицы. Время жизни φ-мезона в вакууме составляет приблизительно 1,5 × 10^-22 секунды, тогда как внутри ядра оно примерно на порядок меньше.

Коллаборация ALICE, работающая на Большом адронном коллайдере, представила результаты измерения силы взаимодействия φ-мезона и протона в вакууме. Потенциал извлекался из анализа данных рассеяния протонов и φ-мезонов. Данные набирали в течение второго сезона работы коллайдера.

Мезоны рождались в столкновениях протонов с суммарной энергией в системе центра масс равной 13 тераэлектронвольт. Так как φ-мезоны очень короткоживущие, то регистрировались продукты их распада, а именно пары каонов. Всего ученые проанализировали примерно 5 × 10⁸ актов рассеяния φ-мезонов на протонах (а также антипротонах). Данные рассеяния физики фитировали с помощью потенциалов Юкавы и Гаусса. Знаки обоих потенциалов оказались отрицательными, то есть частицы притягиваются. Характерным масштабом длины, входящей в выражения для потенциалов, оказался фемтометр. Вещественная и мнимая части длины рассеяния равны 0,85 ± 0,34 (stat) ± 0,14 (syst) фемтометра и 0,16 ± 0,10 (stat) ± 0,09 (syst) фемтометра, соответственно. Вещественная часть отличается от нуля на 2,3 стандартных отклонения, а мнимая часть равна нулю в рамках экспериментальной погрешности, что означает, что основной вклад в амплитуду вносит упругое рассеяние.

Точность измерения оказалась достаточно низкой, и экспериментаторы надеются, что данные, которые будут собраны за третий и четвертый сезоны работы коллайдера, помогут существенно уточнить их результат. Также ученые расчитывают, что аналогичные величины будут измерены для взаимодействия φ-мезонов и протонов в ядерном веществе, что поможет лучше понять структуру вакуума хромодинамики.

Ранее мы писали о том, как ученые вычислили вакуумный вклад в массу протона.

Андрей Фельдман