Иллюстрация влияния кварк-глюонной плазмы на образование чармония при столкновениях ядер свинца. При повышении температуры плазмы более слабо связанное состояние ψ(2S) с большей вероятностью будет «экранироваться» и, таким образом, не образовываться из-за большего количества кварков и глюонов в плазме (цветные кружки). Увеличение числа очарованных кварков и антикварков (c и c̄) может привести к образованию дополнительных чармоний в результате рекомбинации кварков. Кредит: сотрудничество ALICE

Кварк-глюонная плазма — это чрезвычайно горячее и плотное состояние вещества, в котором элементарные составляющие — кварки и глюоны — не заключены внутри составных частиц, называемых адронами, как в протонах и нейтронах, составляющих ядра атомов. Считается, что эта особая фаза материи существовала в ранней Вселенной, и ее можно воссоздать на Большом адронном коллайдере (БАК) в результате столкновений ядер свинца.

Новый анализ, проведенный международной коллаборацией ALICE на LHC, исследует, как различные связанные состояния очарованного кварка и его аналога из антиматерии, также возникающие в этих столкновениях, зависят от кварк-глюонной плазмы. Результаты открывают новые возможности для изучения сильного взаимодействия — одной из четырех фундаментальных сил природы — в условиях экстремальной температуры и плотности кварк-глюонной плазмы.

Связанные состояния очарованного кварка и очарованного антикварка, известные как чармонии или частицы со скрытым очарованием, удерживаются вместе за счет сильного взаимодействия и являются отличными зондами кварк-глюонной плазмы. В плазме их образование подавляется из-за «экранирования» большим количеством кварков и глюонов, присутствующих в этой форме материи.

Экранирование и, следовательно, подавление увеличиваются с повышением температуры плазмы и, как ожидается, в разной степени влияют на различные чармонии. Например, ожидается, что образование состояния ψ(2S), которое в десять раз более слабо связано и на 20% массивнее, чем состояние J/ψ, будет более подавленным, чем у состояния J/ψ.

Это иерархическое подавление — не единственная судьба чармония в кварк-глюонной плазме. Большое количество очарованных кварков и антикварков в плазме — до сотни при лобовых столкновениях — также приводит к возникновению механизма, называемого рекомбинацией, который формирует новые чармонии и в определенной степени противостоит подавлению.

Ожидается, что этот процесс будет зависеть от типа и импульса чармония, причем более слабосвязанный чармоний, возможно, образуется в результате рекомбинации на более поздних этапах эволюции плазмы, а чармоний с самым низким (поперечным) импульсом имеет самую высокую скорость рекомбинации.

Столкновение поводка и поводка, зарегистрированное ALICE в 2015 году. Предоставлено: сотрудничество ALICE.

Предыдущие исследования, в которых использовались данные суперпротонного синхротрона ЦЕРН, а затем и БАК, показали, что образование состояния ψ(2S) действительно более подавлено, чем состояние J/ψ. ALICE также ранее представила доказательства механизма рекомбинации в производстве J / ψ. Но до сих пор никакие исследования образования ψ(2S) при малых импульсах частиц не были достаточно точными, чтобы дать убедительные результаты в этом импульсном режиме, что не позволяло получить полную картину образования ψ(2S).

Коллаборация ALICE сообщила о первых измерениях образования ψ(2S) вплоть до нулевого поперечного импульса на основе данных о столкновении свинца со свинцом на LHC, собранных в 2015 и 2018 годах.

Измерения показывают, что независимо от импульса частицы состояние ψ(2S) подавлено примерно в два раза сильнее, чем состояние J/ψ. Впервые наблюдается четкая иерархия подавления общего производства чармония на БАК. Аналогичное наблюдение было ранее сообщено коллаборацией LHC для связанных состояний низшего кварка и его антикварка.

При дальнейшем изучении зависимости от импульса частицы подавление ψ(2S) уменьшается в сторону меньшего импульса. Эта особенность, которая ранее наблюдалась ALICE для состояния J/ψ, является признаком процесса рекомбинации.

Будущие высокоточные исследования этих и других чармониев с использованием данных запуска 3 LHC, начавшегося в июле, могут привести к окончательному пониманию модификации частиц со скрытым очарованием и, как следствие, сильного взаимодействия, которое удерживает их вместе в экстремальной среде кварк-глюонной плазмы.