Тяжелые мезоны в кварк-глюонной плазме




Рис. 1. Мезоны погруженные в горячую кварк-глюонную плазму, плавятся, причем температура плавления зависит от размера мезона. Компактные мезоны из ипсилон-семейства, например Υ(1S), плавятся при гораздо более высокой температуре, чем более крупные возбужденные состояния.

Если взять атомное ядро и нагреть его выше критической температуры, равной примерно 2 трлн градусам (175 МэВ в энергетических единицах), ядерная материя превратится в особое состояние вещества — кварк-глюонную плазму. В этом состоянии уже нет отдельных протонов и нейтронов, а есть лишь кварки и глюоны, свободно гуляющие по всему объему плазмы. Это очень необычное состояние материи, которое одинаково интересно и теоретикам, и экспериментаторам. Первые благодаря нему развивают новые математические подходы к изучению сложных систем с сильной связью, а вторые получают возможность увидеть ядерную физику — со всеми ее многочисленными приложениями — в новом свете.

В эксперименте облачко кварк-глюонной плазмы можно создать на очень короткое время в лобовом столкновении двух тяжелых ядер с большой энергией. Такие исследования вот уже десять лет ведутся на американском Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), а в прошлом году в игру вступил и Большой адронный коллайдер. В ноябре 2010 года на LHC происходили столкновения ядер свинца с энергией 287 ТэВ (то есть 1,38 ТэВ в расчете на каждый протон и нейтрон), и накопленная за тот месяц статистика до сих пор изучается экспериментальными группами. Время от времени коллаборации публикуют результаты этих анализов, которые один за другим вскрывают интересные особенности кварк-глюонной плазмы.

Мы уже подробно описывали некоторые из этих результатов, например измерение эллиптического потока коллаборацией ALICE и сильный дисбаланс адронных струй, зарегистрированный детектором ATLAS. Оба этих измерения убедительно доказывают, что кварк-глюонная плазма — это самая настоящая сплошная среда, в которой есть коллективные потоки вещества. А на днях в архиве электронных препринтов появилась статья коллаборации CMS, в которой описывается еще один, гораздо более тонкий, эффект кварк-глюонной плазмы — «плавление» тяжелых мезонов.

Семейство ипсилон-частиц


В этой работе речь идет о рождении и распаде частиц из семейства ипсилон-мезонов (обозначаются греческой буквой Υ), о которых стоит рассказать чуть подробнее. Это тяжелые мезоны с массой около 10 ГэВ, состоящие из «прелестного» кварка (b) и его же антикварка (то есть связанные b-анти-b-состояния). На замысловатом физическом жаргоне такие состояния называются боттомониями (от англ. bottom, одного из названий b-кварка), или — несколько более поэтично — «мезонами со скрытой прелестью» (beauty «прелестный» — другое его название).

В некоторых отношениях эти мезоны отдаленно напоминают обычные атомы. Прелестный кварк и его антикварк притягиваются друг к другу почти по закону Кулона, только вызвано это притяжение не электрическими силами, а сильным взаимодействием. У связанного состояния (то есть у Υ-частицы) есть энергия связи, которая намного меньше энергии покоя самих кварков, из-за чего кварки движутся относительно друг друга с нерелятивистскими скоростями. И наконец, у семейства Υ-частиц есть своя спектроскопия: кварки могут по-разному располагаться относительно друг друга, а значит, образовывать разные уровни энергии. Физики тут даже пользуются стандартной классификацией энергетических уровней, принятой в химии: основное состояние называется 1s-состоянием, Υ(1S), радиально-возбужденные состояния — Υ(2S), Υ(3S) и так далее. Имеются также и орбитально-возбужденные уровни энергии, и состояния с другим спином, которые, впрочем, уже обозначаются иными буквами. В физике элементарных частиц каждое такое возбужденное состояние, в отличие от атомной физики, считается отдельной частицей. На рис. 2 на диаграмме энергетических уровней показаны несколько частиц из этого семейства.

Для дальнейшего рассказа полезно отметить, что так же, как и в случае атомов и их возбужденных состояний, ипсилон-мезоны обладают разными размерами и энергиями связи. Основное состояние, Υ(1S), довольно компактно (его радиус примерно 0,2 фемтометра) и имеет большую энергию связи, а возбужденные состояния имеют больший размер (0,4–0,5 фм), и кварки в них связаны слабее.



Рис. 2. Уровни энергии b-кварк-антикварковой пары. Каждый уровень энергии отвечает своей частице; три состояния, обсуждаемые в этой заметке, выделены желтым цветом. Стрелки показывают различные пути спонтанных переходов между разными состояниями: прямые распады между Υ-мезонами идут с испусканием легких адронов, а перескоки между Υ и χb-состояниями сопровождается излучением фотона.

Аналогия с атомной спектроскопией касается не только строения, но переходов между разными энергетическими уровнями в семействе ипсилон-частиц. Как и в атомах, возбужденные уровни энергии могут переходить на более низкие уровни, излучая при этом фотон (в физике частиц такие превращения называются радиационными распадами мезонов, некоторые из них показаны на рис. 2). Однако у кварк-антикварковых состояний есть своя особенность, которой нет в атомах: кварк и антикварк могут проаннигилировать, превратившись в пару легких частиц, например в мюон-антимюонную пару Υ → μ–μ+ или в пару пи-мезонов Υ → π–π+. Именно такие распады наиболее удобны для измерения энергетических уровней (то есть масс ипсилон-мезонов) в детекторах.



Рис. 3. Спектроскопия боттомониев, наблюдающаяся в их распадах на π–π+-пары.


На рис. 3 показан «спектр» ипсилон-системы в распаде на π–π+-пары. Эти распады наблюдались и на Большом адронном коллайдере уже буквально в первые недели работы; пики, отвечающие Υ(1S), Υ(2S) и Υ(3S), хорошо видны на графике, приведенном на странице Результаты работы LHC в 2010 году.

Ипсилон-мезоны в кварк-глюонной плазме

Описанные выше свойства касались ипсилон-мезонов в вакууме. Однако при столкновении ядер высокой энергии прелестные кварки рождаются и пытаются объединяться в мезоны не в пустоте, а прямо внутри кварк-глюонной плазмы. И тут оказывается, что плазма влияет на этот процесс самым непосредственным образом — она мешает b-кваркам объединяться в ипсилон-мезоны. С точки зрения детектора это приводит к нехватке ипсилон-мезонов по сравнению с другими частицами.

Объяснить этот эффект нетрудно. Прелестные кварки, конечно, притягиваются друг к другу, пытаясь объединиться в ипсилон-мезон, но плазма из свободных кварков, в которую всё это погружено, экранирует силы притяжения. В результате экранированные силы оказываются намного слабее, и прелестные кварки уже не могут связаться в устойчивый мезон, как прежде. Поэтому в кварк-глюонной среде у тяжелых мезонов есть намного меньше шансов вылететь из облачка плазмы: даже если мезон и образуется, его энергия связи будет так низка, что он тут же развалится из-за высокой температуры плазмы. Иными словами, мезоны плавятся внутри кварк-глюонной плазмы.

Надо подчеркнуть, что тут нет никакой особой специфики элементарных частиц, это совершенно естественное поведение любых свободных зарядов. Например, если в обычную электропроводящую среду поместить электрический заряд, то противоположно заряженные частицы среды притянутся к нему, нейтрализуя заряд. Поэтому сила между двумя электрическими зарядами, погруженными в проводящую среду, окажется заметно слабее, чем в вакууме, а значит, связанное состояние может попросту распасться на отдельные частицы. Это схематично показано на рис. 4.



Рис. 4. Кварк и антикварк, притягивающиеся друг к другу, могут образовывать связанные состояния с разной силой связи, которая зависит от среднего расстояния между ними. В кварк-глюонной плазме силы притяжения ослабевают из-за эффекта экранировки, который тем существенней, чем дальше разнесены кварк и антикварк. В результате слабосвязанные мезоны разваливаются от отдельные кварки, но сильносвязанные еще держатся.


Последний штрих касается зависимости этого эффекта от размера мезона. Нейтрализация силового поля кварка становится тем полнее, чем дальше мы отходим от него. Поэтому при температуре, скажем, в два раза выше критической все крупные мезоны, включая Υ(2S) и Υ(3S), уже расплавились, но Υ(1S), самый компактный из известных мезонов, всё еще выживает. При более высокой температуре, в четыре раза превышающей критическую, расплавится и он, но такие температуры трудно достичь даже на LHC.

Описанная закономерность — чем компактнее мезон, тем при более высокой температуре он плавится — называется последовательное плавление мезонов. Экспериментальное наблюдение этого эффекта является одним из самых надежных доказательств образования кварк-глюонной плазмы и позволяет изучать ее свойства. Интересно провести аналогию между этим исследованием и... астрономией, когда по отношению яркости разных спектральных линий в далеких звездах или туманностях удается вычислить температуру и плотность вещества в них.

Результаты исследования


После этого длинного введения результаты исследования, проведенного CMS, должны стать более понятными. В этой работе изучалось, как пропорции родившихся Υ(1S), Υ(2S) и Υ(3S)-частиц меняются при переходе от протон-протонных столкновений к ядерным. Количество ипсилон-частиц измерялось «спектроскопически» через их распад на μ–μ+-пары.



Рис. 5. Распределение μ+μ- пар по инвариантной массе в области семейства ипсилон-мезонов в протонных столкновениях (вверху) и в столкновениях ядер на LHC (внизу). Пики отвечают отдельным ипсилон-мезонам из этого семейства.


На рис. 5 приведены получившиеся распределения μ–μ+-пар по инвариантной массе в столкновении протонов (вверху) и ядер свинца (внизу). Сильный пик на обоих графиках — это Υ(1S)-мезон, пики послабее при чуть большей массе отвечают Υ(2S) и Υ(3S). Черные точки — это реальные данные со своими погрешностями, а синей линией показано наилучшее приближение, которое учитывает три ипсилон-частицы и остаточный фон. Видно, что в случае ядерных столкновений «сила» вторичных пиков резко просела по сравнению с Υ(1S). Подсчет показал, что если в протонных столкновения суммарное количество Υ(2S) и Υ(3S) составляет примерно 80% от Υ(1S), то в ядерных столкновениях эта величина падает до 25%. Таким образом, наличие кварк-глюонной плазмы подавляет втрое сильнее процесс рождения возбужденных ипсилон-мезонов, чем основного состояния.

Это первые подобные данные в ипсилон-семействе (хотя аналогичные эффекты в семействе чармониев, связанных состояний c-кварка и его антикварка, изучались и раньше). Пока они имеют достаточно большие погрешности, но по мере накопления статистики измерения станут существенно точнее и детальнее. Будет, в частности, изучено, как подавление сказывается на мезонах, вылетающих с разными поперечными импульсами (у теоретиков есть интересные предсказания на этот счет). Все эти измерения позволят еще более детально «прощупать» свойства кварк-глюонной плазмы и проверить теоретические модели.

Напоследок стоит подчеркнуть пару важных методических аспектов этой работы. Во-первых, как можно заметить на этом примере, свойства кварк-глюонной плазмы извлекаются не из ядерных столкновений самих по себе, а из сравнения ядерных столкновений с протонными. При этом важно, чтобы все параметры в этих двух типах столкновений оставались по возможности одинаковыми. Именно для этого использовались столкновения протонов не с полной достижимой сейчас энергией 3,5 ТэВ, а с уменьшенной энергией 1,38 ТэВ — ведь именно такую энергию несут отдельные протоны и нейтроны в столкновениях ядер. Эти данные были накоплены во время короткого специального сеанса работы на пониженной энергии, который состоялся в конце марта.

Во-вторых, ключевая величина, измеренная в этом эксперименте, — это не просто отношение, а двойное отношение: Υ(2S+3S)/Υ(1S) в ядерных столкновениях, поделенное на Υ(2S+3S)/Υ(1S) в протонных столкновениях. Такой подход позволяет уменьшить погрешности и отсечь модели без кварк-глюонной плазмы, в которых предсказывается одинаковое уменьшение всех ипсилон-частиц при переходе от протонов к ядрам.

Источники:
  1. CMS Collaboration. Suppression of Upsilon excited states in PbPb collisions at a nucleon-nucleon centre-of-mass energy of 2.76 TeV [http://arxiv.org/abs/arXiv:1105.4894] // препринт arXiv:1105.4894 [hep-ex] (24 May 2011).
  2. Пресс-релиз на сайте эксперимента CMS.
  3. CMS Sees Hint Of Upsilon Suppression In Quark-Gluon Plasma! — сообщение в блоге Tommaso Dorigo.


---------- Добавлено в 18:42 ---------- Предыдущее было в 18:41 ----------


17/06/2011
МОСКВА, 17 июн - РИА Новости.


Американские астрономы впервые практически в "прямом эфире" увидели, что происходит со звездой, которая неосторожно приблизится к массивной черной дыре - ее гравитация разрывает светило на куски, порождая мощнейшую вспышку излучения.

По оценке ученых, такие события могут происходить в одной галактике примерно раз в 100 миллионов лет.

Это событие, зафиксированное орбитальным гамма-телескопом "Свифт" (Swift) в марте этого года, описала группа под руководством Джошуа Блума (Joshua Bloom) из университета Калифорнии в Беркли в статье, опубликованной в пятницу в журнале Science.

Яркая вспышка гамма-излучения (гамма-всплеск), получившая индекс Sw 1644+57, была зафиксирована "Свифтом" в созвездии Дракона 28 марта. Первоначально ученые полагали, что это событие, как и все другие гамма-всплески, которые наблюдаются примерно раз в день, является проявлением коллапса массивной звезды в черную дыру.

Однако уже 31 марта Блум разослал коллегам электронное письмо, в котором заявлял, что характеристики вспышки сильно отличаются от обычных, и это вовсе не гамма-всплеск, а излучение струи плазмы высокой энергии, которую испустила звезда с массой примерно равной Солнцу в момент, когда ее разорвало тяготение черной дыры в миллион раз более массивной.

Тщательный анализ данных "Свифта", а также дополнительные наблюдения с орбитальных телескопов "Хаббл" и "Чандра" подтвердили первоначальное предположение Блума.

"Звезда, которая проходит слишком близко к массивной черной дыре, разрывается гравитационными силами, порождая яркую вспышку... Вспышка высокой энергии Sw 1644+57 первоначально демонстрировала никогда прежде не наблюдавшиеся особенности. Наблюдения свидетельствуют, что это было событие аккреции на черную дыру массой от 100 тысяч до 1 миллиона солнечных", - говорится в статье.

Исследователи пишут, что "черная дыра-убийца" находится в центре галактики, расположенной примерно в 4 миллиардах световых лет от Земли.

По их расчетам, примерно 10% массы погибшей звезды, которая образовала аккреционный диск вокруг черной дыры, перешло в энергию рентгеновского излучения. Кроме того, гамма-излучение испускают струи плазмы, выброшенные почти со световой скоростью от полюсов черной дыры.

---------- Добавлено в 18:43 ---------- Предыдущее было в 18:42 ----------

— 25.06.2011 —


Фонд Инамори и Университет Киото объявили, что в этом году Премия Киото по науке присуждена академику РАН, главному научному сотруднику Института космических исследований (ИКИ РАН) Рашиду Сюняеву за его «вклад в прецизионную наблюдательную космологию, связанный с разработкой теории флуктуаций космического микроволнового фона». Премия Киото – главная научная премия Японии, учрежденная фондом Инамори. Она названа в честь города Киото, знаменитого своей историей, культурными и научными традициями. Среди предыдущих лауреатов Премии Киото были всемирно известные астрономы Ян Оорт, Чуширо Хаяши и Юджин Паркер, великие математики, включая академика Израиля Гельфанда, геофизики, биологи, материаловеды, ученые – первооткрыватели новых технологий, включая Нобелевского лауреата Жореса Алферова, философы и знаменитые представители из мира культуры.

В официальном сообщении сказано: «Доктор Рашид А. Сюняев оказал далеко простирающееся влияние на современную наблюдательную космологию благодаря теоретическим исследованиям звуковых колебаний в ранней Вселенной, которые наложили отпечаток на флуктуации температуры фона микроволнового излучения, и рассеяния этого излучения на горячих электронах в скоплениях галактик». Эти работы были выполнены в конце 60-х и начале 70-х гг. совместно со знаменитым советским физиком и астрофизиком, трижды Героем Социалистического труда, академиком Яковом Борисовичем Зельдовичем. Лишь через тридцать лет выяснилось, что предсказанные ими эффекты действительно наблюдаются на нашем небе и несут важнейшую информацию о параметрах Вселенной.

Далее из сообщения: «Он также внес существенный вклад в астрофизику высоких энергий благодаря исследованию аккреции вещества на сверхплотные космические объекты и связанных с этим механизмов выделения энергии, и осуществляя руководство международными наблюдательными проектами».

В двух других категориях лауреатами премии Киото 2011 года стали Джон Вернер Кан (категория «Развитие технологий») и Тамасабуро Бандо V (категория «Искусства и философия»).

Как сообщает пресс-служба ИКИ РАН, церемония вручения премии Киото пройдет в Международном центре конгрессов г. Киото (Япония) 10 ноября 2011 г. Во время церемонии каждому лауреату будут вручены диплом, золотая медаль и премия размером 50 миллионов йен.

---------- Добавлено в 18:43 ---------- Предыдущее было в 18:43 ----------



10.06.11
Эксперимент DZero не подтверждает Wjj-аномалию

Два месяца назад эксперимент CDF, работающий на американском коллайдере Тэватрон, сообщил о заметном отличии данных по рождению W-бозона и двух струй от предсказаний Стандартной модели («Wjj-аномалия»). Неделю назад был обнародован новый анализ этой же экспериментальной группы, который только усилил расхождение. Однако для того, чтобы всерьез говорить о наблюдении новой частицы, требовалось подтверждение этого эффекта другим детектором с того же коллайдера — DZero. 10 июня на специальном докладе были обнародованы результаты этого анализа. Оказалось, что эксперимент DZero не подтверждает Wjj-аномалию; его результаты находятся в хорошем согласии со Стандартной моделью.