Распределение плотности энергии начального состояния в поперечной плоскости при различных вариантах выбора параметров модели.
Предоставлено: Уилке ван дер Ши.

Для изучения атомных ядер и субатомных частиц ученые используют Большой адронный коллайдер (БАК), чтобы сталкивать тяжелые ионы — атомные ядра, полностью лишенные окружающих их электронов. В этих столкновениях кварки и глюоны, которые обычно составляют нуклоны (протоны и нейтроны), сливаются в новое состояние материи, называемое кварк-глюонной плазмой (КГП).

Чтобы выяснить свойства этого КГП, теоретики сравнивают сложную модель с большим количеством экспериментальных данных. Одним из параметров этой модели является размер нуклонов внутри двух сталкивающихся ядер свинца. Однако, чтобы достичь согласия со скоростью реакции, нуклоны должны быть меньше, чем ожидали ученые на основе предыдущих анализов.

Низкоэнергетические эксперименты обнаруживают размер нуклона около 0,5 фемтометра (фм), или около 5x10 -16 метров. Столкновения тяжелых ионов дают принципиально иной взгляд на размер нуклона по сравнению с этими низкоэнергетическими экспериментами. Предыдущий анализ экспериментальных данных по тяжелым ионам показал гораздо больший размер нуклона, около 1 фм.

Новый анализ впервые включает экспериментально измеренную скорость реакции столкновений свинец-свинец. Скорость реакции — это частота, с которой атомные ядра реагируют друг с другом, и она определяется плотностью ядер в пучке, а также размером ядер. После включения этой скорости реакции предпочтительный размер составляет около 0,6 мкм, что устраняет несоответствие.

Полное адронное сечение столкновений свинец-свинец сообщает ученым частоту столкновений для данной плотности пучка. Поперечное сечение очень легко вычислить в теоретической модели, что делает его хорошим кандидатом для сравнения с экспериментами в глобальном анализе. Однако экспериментальное измерение выполнить сложнее. В результате до 2021 года научные неопределенности в отношении этой величины были большими.

В 2022 году новое измерение в рамках эксперимента по столкновению больших ионов (ALICE) на БАК существенно уменьшило эти неопределенности, что позволило включить его в глобальный анализ. Этот анализ, проведенный исследователями из Массачусетского технологического института и ЦЕРН, сравнивает теоретический расчет с более чем 600 отдельными экспериментальными данными.

Анализ показал, что, если не учитывать измерение поперечного сечения, предпочтительны размеры нуклонов около 1 фм. Однако, когда учитывается поперечное сечение, это предпочтительное значение уменьшается примерно до 0,6 фм.

Выводы опубликованы в журнале Physical Review Letters.