Письмо ректору


Новости университета



03.10.2016

Ученые НИЯУ МИФИ приняли участие в проверке важных свойств сильного взаимодействия

Более пятнадцати лет в Брукхейвенской национальной лаборатории (США) функционирует уникальный ускорительный комплекс со встречными пучками – Коллайдер релятивистских тяжелых ионов – RHIC (по первым буквам английского названия – Relativistic Heavy Ion Collider). Здесь ускоряют почти до скорости света различные атомные ядра, начиная от легчайших (протоны – ядра атомов водорода) до самых тяжелых (ядра атомов урана). НИЯУ МИФИ совместно с другими российскими институтами (ИФВЭ, Протвино; ОИЯИ, Дубна) на протяжении многих лет активно участвует в исследованиях на RHIC в рамках международного эксперимента STAR.

По современным представлениям протон имеет сложную внутреннюю структуру, образуемую кварками и глюонами – фундаментальными частицами, участвующими в сильном взаимодействии. Заряд этого взаимодействия называется цветовым или просто «цветом». В данном случае «цвет» – это тип заряда, и термин заимствован из нашего понимания видимого света: заряд сильного взаимодействия, в отличие от электрического, может быть трех видов, которые должны быть объединены для формирования нейтрального состояния – подобно тому, как три основные цвета света (красный, зеленый и синий) комбинируют для того, что сформировать «нейтральный» белый свет. Кварки и глюоны имеют ненулевые цветовые заряды и пока не наблюдались в свободном состоянии, они существуют только внутри «бесцветных» составных частиц, называемых адронами, например, протонов. Как истинно фундаментальные кварки и глюоны, так и частицы, имеющие сложную структуру, характеризуются собственным квантовым моментом импульса – спином.

Исследования в области спиновой физики являются важнейшей частью всей научной программы RHIC, благодаря уникальным особенностям этого коллайдера: используя специальные магниты, RHIC способен выстроить спины миллиардов протонов в пучках таким образом, чтобы эти спины, в основном, указывали в некотором фиксированном направлении при циркуляции и столкновении пучков. Причем выстроенность спинов, определяющая важный параметр пучков – поляризацию, возможна как в продольном, так и в поперечном направлении относительно оси пучка. Эта регулируемая поляризация является существенной как для распознавания деталей внутренней структуры протона, так и для изучения фундаментальных особенностей взаимодействия кварков и глюонов.

В 2016 г. физики на одноименной установке STAR использовали столкновения протонов со спинами, выстроенными перпендикулярно к направлению их движения, с неполяризованным протонным пучком для изучения фундаментальных особенностей взаимодействия между цветовыми зарядами. Энергия столкновения протонных пучков составляла 500 гигаэлектронольт. Ученые измеряли неравномерность образования частиц, называемых W бозонами, которая характеризуется т.н. поперечной односпиновой асимметрией. Поскольку W бозоны быстро распадаются, в частности, на заряженную легкую частицу – лептон и (анти)нейтрино, то для их измерения в STAR регистрировали струю частиц, испускаемую в противоположном направлении относительно того, в котором исчезает (анти)нейтрино, и добавляли энергию струи к энергии лептона для реконструкции каждого W.

Измеренная асимметрия чувствительна к корреляции внутреннего поперечного импульса кварка или глюона со спином нуклона, так называемой функции Сиверса. Квантовая хромодинамика (КХД), описывающая цветное взаимодействие кварков и глюонов и рассматриваемая в качестве основного претендента на роль окончательной теории сильных взаимодействий, предсказывает противоположный знак функции Сиверса для столкновений протонов относительно измерений в процессах глубоко неупругого лептон-протонного рассеяния. Это предсказание основано на фундаментальном свойстве КХД – калибровочной инвариантности и его проверка является критически важной для дальнейшего развития физики сильных взаимодействий. В эксперименте STAR было обнаружено четкое указание на то, что поперечная односпиновая асимметрия образования W бозонов в протон-протонных столкновениях имеет ту же величину, но противоположный знак относительно лептон-протонного рассеяния, что согласуется с базисными свойствами КХД. Это измерение – важный шаг к подтверждению правильности понимания сути того, как «работает» цветное взаимодействие.

Как и в случае с более известными положительными и отрицательными электрическими зарядами, для цветовых зарядов КХД предсказывает притяжение для разноименных и отталкивание для одноименных зарядов. В рамках изучения асимметрии образования W бозонов ученые в эксперименте STAR, впервые, наблюдали эффект отталкивающего цветного взаимодействия, проверив, тем самым, это важное свойство КХД.

Таким образом, измерения с протонными пучками на установке STAR в 2016 г. позволили впервые экспериментально проверить ряд фундаментальных свойств КХД. Описанные выше результаты опубликованы в ведущем международном журнале Physical Review Letters.

Исследования в данном направлении продолжаются. Для повышения точности результатов и, как следствие, определенности физических выводов требуются увеличение объемов экспериментальных данных. Изучение изменения знака функции Сиверса является одной из основных целей научной программы STAR по спиновой физике и приоритетом №1 для ближайшего сеанса 2017 г. на RHIC.


Количество показов: 607

Возврат к списку


Добавить комментарий