КГП обычно описывается с помощью релятивистских гидродинамических моделей и изучается экспериментально с помощью столкновений тяжелых ионов. Между теорией и экспериментом существует давнее расхождение в отношении наблюдения выхода частиц в области малых поперечных импульсов и их отсутствия в предсказаниях модели. Теперь исследователи из Японии обратились к этому вопросу, предложив модель, которая определяет происхождение отсутствующих выходов частиц. 
Фото: Тетсуфуми Хирано из Софийского университета, Япония.

Исследования в области фундаментальной науки выявили существование кварк-глюонной плазмы (КГП) — недавно идентифицированного состояния материи — как составной части ранней Вселенной. Известно, что через микросекунду после Большого взрыва КГП существовала, по сути, это суп из кварков и глюонов, который со временем охлаждался, образуя адроны, такие как протоны и нейтроны, — строительные блоки всей материи.

Один из способов воспроизвести экстремальные условия, преобладавшие при существовании КГП, — это столкновения релятивистских тяжелых ионов. В этом отношении ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер (БАК) и Релятивистский коллайдер тяжелых ионов, способствовали нашему пониманию КГП благодаря экспериментальным данным, относящимся к таким столкновениям.

Тем временем физики-теоретики использовали многоступенчатые релятивистские гидродинамические модели для объяснения данных, поскольку КГП ведет себя очень похоже на идеальную жидкость. Однако между этими моделями и данными в области малых поперечных импульсов сохранились серьезные разногласия, где ни традиционная, ни гибридная модели не смогли объяснить выходы частиц, наблюдаемые в экспериментах.

На этом фоне группа исследователей из Японии во главе с физиком-теоретиком профессором Тетсуфуми Хирано из Софийского университета провела исследование, чтобы объяснить недостающие выходы частиц в релятивистских гидродинамических моделях.

В своей недавней работе они предложили новую «структуру динамической инициализации ядро-корона» для всестороннего описания высокоэнергетических ядерных столкновений. Их результаты были опубликованы в журнале Physical Review C, и в них участвовали доктор Юука Канакубо, докторант Университета Софии (в настоящее время должность: постдокторский научный сотрудник Университета Ювяскюля, Финляндия) и доцент Ясуки Тачибана из Международного университета Акита. Япония.

«Чтобы найти механизм, который может объяснить несоответствие между теоретическим моделированием и экспериментальными данными, мы использовали структуру динамической инициализации ядра-короны (DCCI2), в которой частицы, генерируемые во время ядерных столкновений высокой энергии, описываются с использованием двух компонентов: ядро, или уравновешенное вещество, и корона, или неуравновешенное вещество», — объясняет профессор Хирано. «Эта картина позволяет нам изучить вклад компонентов ядра и короны в образование адронов в области с низким поперечным импульсом».

Исследователи провели моделирование столкновений тяжелых ионов Pb-Pb на PYTHIA (программа компьютерного моделирования) при энергии 2,76 ТэВ, чтобы проверить свою структуру DCCI2. Динамическая инициализация флюидов QGP позволила разделить компоненты ядра и короны, которые подверглись адронизации посредством «переключения гиперповерхности» и «фрагментации струны» соответственно. Затем эти адроны подвергались резонансным распадам для получения спектров поперечного импульса (p T ).

«Мы отключили рассеяние адронов и выполнили только резонансные распады, чтобы увидеть разбивку общего выхода на компоненты ядра и короны, поскольку рассеяние адронов смешивает два компонента на поздней стадии реакции», — объясняет доктор Канакубо.

Затем исследователи исследовали долю компонентов ядра и короны в спектрах p T заряженных пионов, заряженных каонов, а также протонов и антипротонов для столкновений при 2,76 ТэВ. Затем они сравнили эти спектры со спектрами, полученными из экспериментальных данных (от детектора ALICE на LHC для столкновений Pb-Pb при 2,76 ТэВ), чтобы количественно оценить вклад компонентов короны. Наконец, они исследовали влияние компонентов короны на переменные потока.

Они обнаружили относительное увеличение вклада короны в спектральной области примерно 1 ГэВ как для классов центральности 0-5%, так и для классов центральности 40-60%. Хотя это было верно для всех адронов, они обнаружили почти 50% вклад короны в рождение частиц в спектрах протонов и антипротонов в области очень низких p T (≈ 0 ГэВ).

Кроме того, результаты полного моделирования DCCI2 показали лучшее совпадение с экспериментальными данными ALICE по сравнению со сравнением только компонентов ядра с адронным рассеянием (без учета компонентов короны). Было обнаружено, что вклад короны отвечает за разбавление четырехчастичных кумулянтов (наблюдаемый поток), полученных исключительно из вкладов ядра, что указывает на большее количество перестановок частиц с вкладом короны.

«Эти результаты подразумевают, что неравновесные компоненты короны способствуют образованию частиц в области очень низких поперечных спектров», — говорит профессор Хирано. «Это объясняет недостающие выходы в гидродинамических моделях, которые извлекают из экспериментальных данных только уравновешенные компоненты ядра . Это ясно показывает, что для более точного понимания свойств КГП необходимо также извлечь неуравновешенные компоненты».