Дальше Стандартной модели — как коллайдеры помогают исследовать физику
Физики знают, что Стандартная модель объясняет только около 4% материи и энергии во Вселенной.
Эффект, описанный исследователями, возникает, когда физики ускоряют встречные пучки тяжелых ионов в противоположных направлениях и направляют их друг на друга. Ионы являются ядрами массивных элементов, таких как золото или свинец, а ускорители ионов особенно полезны для изучения сильного взаимодействия, которое связывает кварками в нейтронах и протонах атомных ядер. Физики сталкивали тяжелые ионы, чтобы преодолеть сильное взаимодействие и увидеть как кварки, так и глюоны.
Но в ускорителях тяжёлых ионов не только сталкивают ядра — ионные пучки также создают электрические и магнитные поля, которые окутывают каждое ядро пучка собственным световым «облаком». Эти облака движутся с ядрами и при встрече отдельные фотоны тоже могут столкнуться. В исследовании было показано, что фотон-фотонные столкновения производят материю из чистой энергии. В результате столкновений образовался так называемый «кварковый суп», а точнее, кварк-глюонная плазма.
Это явление удивительно тем, что столкновения фотонов — это электромагнитное взаимодействие, в то время как в кварк-глюонной плазме преобладает сильное.
Одно из предлагаемых объяснений состоит в том, что фотон-фотонное взаимодействие будет выглядеть по-другому не из-за кварк-глюонной плазмы, а из-за сближения двух ионов. Это связано с квантовыми эффектами взаимодействия фотонов. Однако, если бы аномалии были вызваны квантовыми эффектами, они могли бы создать обнаруживаемые интерференционные картины.
Случай, когда фотоны сталкиваются, а ионы не сталкиваются друг с другом, называют ультрапериферическим столкновением.
Теория предполагала, что картины квантовой интерференции от ультрапериферических фотон-фотонных столкновений должны изменяться вместе с расстоянием между проходящими ионами. Используя данные эксперимента с компактным мюонным соленоидом CMS на LHC, исследователи обнаружили, что они могут определить это расстояние или прицельный параметр, измеряя что-то совершенно другое.
Чем ближе два иона, тем выше вероятность, что ион может возбудиться и начать испускать нейтроны, которые идут прямо по линии луча. Каждое ультрапериферическое фотон-фотонное столкновение производит пару частиц, называемых мюонами, которые обычно разлетаются в противоположных направлениях вследствие столкновения. Согласно теории, квантовая интерференция искажает угол вылета мюонов. И чем короче расстояние между близкими ионами, тем больше искажение.
Эффект возникает из-за движения сталкивающихся фотонов. Хотя каждый из них движется в направлении луча вместе со своим ионом-хозяином, фотоны также могут удаляться от своих хозяев, а это меняет прицельный параметр.
Эта работа дала прочную базу для исследований, но учёные продолжают собирать более точные данные, чтобы исключить другие эффекты, связанные с кварк-глюонной плазмой.
Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Ускорители наподобие RHIC и LHC обычно превращают энергию в материю, ускоряя части атомов со скоростью, близкой к скорости света, и сталкивая их друг с другом. Так, например, в 2012 году на LHC обнаружили бозон Хиггса — последняя на тот момент ненаблюдаемая частица Стандартной модели. На этот раз учёные вышли за пределы Стандартной модели.