Иллюстрация: ALICE CERN, 2020. Данные эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере по протон – протонным столкновениям использовали для измерения сильного взаимодействия между протонами и двумя типами гиперонов — частиц из трех кварков, один из которых является странным. Новые наблюдения превзошли предыдущие исследования по точности и диапазону наблюдения, а в будущем использованный метод позволит лучше изучить сильное взаимодействие короткоживущих адронов. Это может помочь физикам не только в поиске связанных состояний экзотических частиц, но и в понимании структуры нейтронных звезд. Статья опубликована в журнале Nature. Почти вся видимая материя во Вселенной состоит из нуклонов (протонов и нейтронов), которые, в свою очередь, являются барионами — частицами из трех кварков. Кварки в таких структурах связывает сильное взаимодействие, которое реализуется посредством обмена глюонами — бозонами-переносчиками сильного взаимодействия. Это же взаимодействие приводит к возникновению остаточной силы, которая связывает друг с другом и сами нуклоны: таким образом образуется дейтрон (связанное состояние нейтрона и протона) и все остальные атомные ядра.
Сильное нуклон-нуклонное взаимодействие можно изучать в экспериментах по рассеянию нуклонов друг на друге, а для теоретического описания подобных явлений существует квантовая хромодинамика.
Сильное взаимодействие друг между другом могут испытывать не только нуклоны, но и другие барионы, к примеру, гипероны — частицы из трех кварков, один из которых должен быть странным. Хоть гипероны по своей структуре и очень похожи на повсеместно встречающиеся протоны и нейтроны, время их жизни не превышает наносекунду (хоть это и достаточно долго для микромира), а их масса существенно больше, чем у нуклонов, за счет наличия в их составе тяжелого s-кварка. Последняя особенность на руку теоретикам: существующие теоретические предсказания взаимодействия гиперонов с нуклонами и друг с другом на основе квантовой хромодинамики обладают малыми погрешностями, так как подобные решения оказываются более стабильными для кварков с большей массой.
Экспериментально сильное взаимодействие между гиперонами и нуклонами в основном изучалось в экспериментах с их связанными состояниями, ведь время жизни и частота рождения этих экзотических частиц затрудняет эксперименты по изучению рассеяния гиперонов на нуклонах и друг на друге. Однако в последние годы с развитием фемтоскопии стали возможны эксперименты, в которых взаимодействие нуклонов и гиперонов изучают в столкновениях релятивистских частиц (ядер или протонов). В этом случае взаимодействие пары частиц, рождающихся в области столкновения, изучают по корреляционным функциям сечений вылета пар частиц с определенной разностью импульсов. Нуклон (в существующих экспериментах — протон) и гиперон в таких экспериментах успевают провзаимодействовать до того, как распадется гиперон, а высокая точность определения импульсов протона и продуктов распада гиперона позволяет оценить силу и продолжительность взаимодействия частиц.
Больших успехов в этой области достигла коллаборация STAR в экспериментах по столкновению ядер золота при энергии 200 гигаэлектронвольт на нуклон, но из-за большого размера сталкивающихся частиц большой была и область, из которой вылетали протоны и гипероны: ее диаметр составил 3-5 фемтометра. Как мы знаем из принципа неопределенности, больший разброс в расстоянии ведет к меньшему разбросу в импульсе: в результате сильное взаимодействие гиперонов и протонов было исследовано при относительном импульсе пары частиц до 40 мегаэлектронвольт на скорость света, что уменьшило чувствительность к сильным взаимодействиям частиц на расстояниях менее 1 фемтометра.
Уменьшить соответствующую неопределенность удалось ученым из коллаборации эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН. Из данных по протон-протонным столкновениям при энергии в системе центра масс в 13 тераэлектронвольт они получили корреляционные функции для пар из протона и омега-гиперона Ω− (самый редкий гиперон, состоящий из трех s-кварков), а также для пар из протона и кси-минус-гиперона Ξ− (который состоит из двух s-кварков и одного d-кварка). Для предсказания корреляционной функции использовалось нерелятивистское уравнение Шредингера. Физики выбрали такое приближение, так как соответствующий сильному взаимодействию относительный момент в условиях эксперимента не превышает 200 мегаэлектронвольт на скорость света, что с высокой точностью соответствует нерелятивистскому случаю. Присутствие в событии омега-гиперона отслеживалось по продуктам его слабого распада на К−мезон и Λ-барион, последний из которых в дальнейшем распадался на π−мезон и протон.
Схема входящий в корреляционную функцию факторов. S(r*) – распределение расстояния между рождающимися частицами, ψ(k*, r*) – волновая функция пары частиц, ξ(k*) – корректировка экспериментальных факторов, N – число пар с определенным относительным импульсом в одном событии (числитель) и в разных событиях (знаменатель). ALICE CERN, 2020
Экспериментально полученные корреляционные функции и теоретические предсказания. Зеленый цвет – электро-магнитное притяжение, остальное – предсказания HAL QCD. Сверху – данные для кси-минус-гиперона, снизу – для омега-гиперона. ALICE CERN, 2020
На гиперонах не заканчивается разнообразие барионов и их возбужденных состояний, и физики продолжают открывать новые частицы: так, год назад на БАК обнаружили два новых возбужденных состояния прелестного лямбда-бариона, а двумя годами ранее там нашли еще пять новых очарованных состояний.
Автор: Никита Козырев
Источник: https://nplus1.ru/
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
