Atliekant eksperimentus su dalelių greitintuvu, elementariųjų dalelių sąveika su dideliu impulsų perdavimu sukuria kvarkus ir gliuonus (žinomus kaip partonus), kurių evoliuciją valdo stipri jėga, kaip aprašyta kvantinės chromodinamikos teorijoje. Vėliau šie partonai išskiria kitus partonus procese, kurį galima apibūdinti kaip partono dušą, kurio kulminacija yra aptinkamų hadronų susidarymas. Partono dušo modelio tyrimas yra viena iš pagrindinių eksperimentinių priemonių kvantinei chromodinamikai tikrinti. Tikimasi, kad šis modelis priklausys nuo inicijuojančios partono masės dėl reiškinio, žinomo kaip mirusio kūgio efektas. Dabar fizikai iš ALISA Bendradarbiavimas CERN didžiajame hadronų greitintuve pirmą kartą tiesiogiai pastebėjo šį esminį reiškinį. Stebėjimas ne tik patvirtina šį efektą, bet ir suteikia tiesioginę eksperimentinę prieigą prie vieno žavesio kvarko masės, kol ji nėra apribota hadronų viduje.
Žavesys kvarkas (c) partono duše praranda energiją skleisdamas spinduliuotę gliuonų (g) pavidalu. Dušo aplink kvarką rodomas negyvas slopintos spinduliuotės kūgis, kurio kampai yra mažesni nei kvarko masės (m) ir energijos (E) santykis. Energija mažėja kiekviename dušo etape. Vaizdo kreditas: Daniel Dominguez / CERN.
Kvarkai ir gliuonai, bendrai vadinami partonais, susidaro dalelių susidūrimų metu, pavyzdžiui, įvykus dideliame hadronų greitintuve.
Po jų sukūrimo partonai patiria įvykių kaskadą, vadinamą partono dušu, kai jie praranda energiją išskirdami spinduliuotę gliuonų pavidalu, kurie taip pat išskiria gliuonus.
Šio dušo spinduliuotės modelis priklauso nuo gliuoną skleidžiančio partono masės ir aplink partono skrydžio kryptį rodo sritį, kurioje slopinama gliuono emisija – negyvąjį kūgį.
Prieš 30 metų, remiantis pirmaisiais stiprios jėgos teorijos principais, negyvas kūgis buvo netiesiogiai pastebėtas dalelių susidūrimo įrenginiuose.
Tačiau išliko sudėtinga stebėti jį tiesiai iš partono dušo spinduliuotės modelio.
Pagrindinės to priežastys yra tai, kad negyvą kūgį galima užpildyti dalelėmis, į kurias transformuojasi skleidžiantis partonas, o viso dušo proceso metu sunku nustatyti partono kaitos kryptį.
Fizikai iš ALICE bendradarbiavimo įveikė šiuos iššūkius taikydami naujausius analizės metodus dideliam protonų ir protonų susidūrimų pavyzdžiui dideliame hadronų greitintuve.
Taikant šiuos metodus, partono dušas gali būti sugrąžintas laiku atgal nuo galutinių produktų – signalų, kuriuos ALICE detektoriuje palieka purškiamos dalelės, žinomos kaip čiurkšlė.
Ieškodami purkštukų, kuriuose yra dalelės, turinčios žavesio kvarko, tyrėjai sugebėjo identifikuoti tokio tipo kvarko sukurtą čiurkšlę ir atsekti visą kvarko gliuono emisijos istoriją.
Palyginus žavesio kvarko gliuono emisijos modelį su gluonų ir praktiškai bemasių kvarkų modeliu, atskleidė negyvą žavesio kvarko modelio kūgį.
Rezultatas taip pat tiesiogiai atskleidžia žavesio kvarko masę, nes teorija numato, kad bemasės dalelės neturi atitinkamų negyvų kūgių.
„Negyvas kūgis yra esminis kvantinės chromodinamikos reiškinys, kurį lemia nulinės kvarkų masės, kurių tiesioginis eksperimentinis stebėjimas anksčiau buvo sunkiai pasiekiamas“, – teigė mokslininkai.
“Šis matavimas suteikia įžvalgos apie masės poveikio įtaką reaktyvinėms savybėms ir suteikia apribojimų Monte Karlo modeliams.”
„Šie rezultatai atveria kelią mirusio kūgio efekto masės priklausomybės tyrimui, matuojant grožio purkštukų negyvą kūgį, pažymėtą rekonstruotu grožio hadronu.
„Taip pat numatomas būsimojo kūgio efekto tyrimas sunkiųjų jonų susidūrimų metu, kai partonai stipriai sąveikauja su karšta kvantine chromodinamikos terpe, kuri susidaro ir praranda energiją per terpės sukeltą spinduliuotę“, – pridūrė jie.
„Jei būtų pastebėtas negyvas kūgis dėl šių terpės sukeltų emisijų, tai patvirtintų teorinį supratimą apie vidutinės trukmės kvantinės chromodinamikos spinduliuotę, kuri yra pagrindinė priemonė, naudojama kvantinės chromodinamikos medžiagos aukštos temperatūros fazei apibūdinti.
„Kvarko masės yra pagrindinės dalelių fizikos standartinio modelio konstantos ir reikalingos visiems skaitiniams skaičiavimams jo sistemoje“, – sakė jie.
„Dėl uždarumo jų vertės dažniausiai daromos iš jų įtakos hadroniniams stebėjimams. Išimtis yra viršutinis kvarkas, kuris suyra dar nespėdamas hadronizuotis, nes jo masė gali būti apribota eksperimentiškai tiesiogiai atkuriant galutines skilimo būsenas.
„Pasiekę dušo žavesio kvarko kinematiką prieš hadronizaciją ir tiesiogiai atskleidę mirusio kūgio efektą, mūsų matavimas suteikia tiesioginį jautrumą beveik laisvųjų žavesio kvarkų masei, kol jie susijungia į hadronus.
„Be to, būsimi didelio tikslumo matavimai, naudojant šią žavesio ir grožio ženklinimo purkštukų techniką, galbūt kartu su mašininio mokymosi įrankiais, skirti atskirti kvarko ir gliuono emisijas, gali eksperimentiškai apriboti kvarko masių dydį.
The rezultatus buvo paskelbti 2022 m. gegužės 19 d. žurnalo numeryje Gamta.
_____
ALISA Bendradarbiavimas. 2022. Tiesioginis mirusiojo kūgio efekto stebėjimas kvantinėje chromodinamikoje. Gamta 605, 440-446; doi: 10.1038 / s41586-022-04572-w