Частицы промахнулись — и физики увидели силу, которая держит всю материю. 30 лет охоты на глюоны закончились

В Большом адронном коллайдере ученые десятилетиями охотились за лобовыми столкновениями частиц, а куда менее заметные "околопопадания" считались помехой. Теперь именно такое явление помогло заглянуть в поведение глюонов - частиц, которые удерживают кварки внутри протонов и нейтронов и тем самым обеспечивают сильное взаимодействие. Группа физиков из MIT показала: редкие сближения частиц без прямого удара можно использовать как отдельный инструмент для изучения ядерной материи в экстремальных условиях.

Речь идет о событиях, которые возникают, когда частицы в ускорителе пролетают очень близко друг к другу, но не сталкиваются в лоб. При сближении вокруг быстро движущихся частиц возникают сильно сжатые электромагнитные поля. Авторы сравнивают их с невидимыми энергетическими блинами. Эти поля порождают фотоны высокой энергии, а иногда один из фотонов ударяет по соседнему атомному ядру. Подобный процесс называется фотоядерным взаимодействием. Раньше физики обычно старались отфильтровать такие эпизоды как фон на фоне основных столкновений. Команда MIT решила пойти в обратную сторону: рассматривать их не как мусор в данных, а как полезный сигнал.

Ценность метода связана с тем, что фотоядерные взаимодействия дают сравнительно чистый способ изучать внутреннее устройство ядра. При обычных столкновениях все тонет в лавине вторичных частиц, и из этого хаоса трудно вытащить аккуратную картину процессов внутри вещества. Здесь схема иная: фотон выступает в роли более тонкого зонда, который позволяет изучать распределение глюонов в ядре без той степени беспорядка, которая неизбежна при полном ударе 2 частиц на околосветовых скоростях.

Исследователи сосредоточились на очень конкретном результате такого взаимодействия: рождении мезона D0. Для физики высоких энергий эта частица особенно удобна, потому что в ее состав входит charm-кварк, по-русски обычно говорят - очарованный кварк. В обычном веществе кварки такого типа не живут, они возникают только при высоких энергиях. Поэтому D0-мезон хорошо подходит на роль маркера, по которому можно судить о процессах в недрах ядра во время фотоядерного события.

Дальше началась самая тяжелая часть работы. Команда сначала смоделировала, как должны выглядеть нужные события в потоке данных. После этого физики создали специальный алгоритм, который умеет в реальном времени просматривать миллиарды столкновений и вылавливать редчайшие случаи, где фотон попал в ядро и привел к рождению D0-мезона. Систему внедрили в детектор CMS - один из крупнейших детекторов Большого адронного коллайдера. Даже с этой техникой задача оставалась крайне сложной: чтобы выделить всего несколько сотен нужных эпизодов, исследователям пришлось собрать десятки миллиардов столкновений.

Когда нужные события удалось извлечь из общего потока, ученые перешли к главному. Они изучили энергию, направление движения и число рожденных D0-мезонов, а затем по этим параметрам восстановили, как внутри ядра распределяются глюоны. Именно здесь и появился самый интересный результат. Оказалось, что в плотной ядерной материи, которая движется с экстремально высокими скоростями, глюоны начинают вести себя необычно. Работа не просто поддержала давние теоретические ожидания о поведении вещества при высокой плотности, но и показала: новый метод способен измерять такие эффекты на практике.

Для фундаментальной физики значение результата довольно велико. Глюоны переносят сильное взаимодействие, а сильное взаимодействие удерживает вместе материю в ее базовом виде. Более точное понимание этого механизма помогает уточнять модели, которые описывают ядерные реакции, поведение вещества при экстремальных энергиях и состояние Вселенной в самые ранние моменты после Большого взрыва. По сути, речь идет о попытке лучше понять один из базовых механизмов, на которых держится обычная материя.

У нового подхода есть еще одно важное достоинство. Метод предлагает более чистый и точный способ изучать структуру ядра по сравнению с классическими схемами, где ученые полагаются в основном на полноценные столкновения. Фотоядерные взаимодействия позволяют зондировать вещество светом, а не только грубым ударом частицы о частицу. В результате промах, который раньше мешал анализу, превратился в подобие сверхточного микроскопа для исследования материи на самых малых масштабах.

Впрочем, до полной картины еще далеко. Такие события встречаются крайне редко, поэтому физикам по-прежнему нужны огромные массивы данных и очень тонкие методы отбора. Текущих измерений пока недостаточно, чтобы полностью описать поведение глюонов при всех возможных условиях. Следующий шаг команда уже обозначила: улучшать алгоритмы, собирать больше данных и проверять, не проявятся ли отклонения от нынешних теорий. Если эти расхождения удастся зафиксировать, разговор может выйти за рамки существующих моделей и (кто знает) привести к открытию новой физики.