Эксперимент ALICE на Большом Адронном Коллайдере (LHC) в CERN (Швейцария) направлен на изучение кварк-глюонной плазмы - горячей и плотной ядерной материи, в которой кварки и глюоны образуют непрерывную среду и могут распространяться в ней как свободные частицы. В обычной материи кварки и глюоны крепко связаны внутри протонов и нейтронов - тех самых «кирпичиков», из которых состоят ядра атомов. Эта связь настолько прочна, что кварки не могут вырваться наружу. Тем не менее, современная теория сильных взаимодействий предсказывает, что при достаточно больших температурах, более чем в 100000 раз превышающих температуру в центре Солнца, кварки и глюоны перестают быть связанными частицами и образуют кварк-глюонную плазму, аналогично состоянию, в котором находятся электроны и ионы в обычной плазме.

Этот процесс освобождения от связей похож на более привычные процессы перехода между различными состояниями материи, например, когда лед при нагревании превращается в воду, а вода в пар. Аналогично ученые изучают различные фазы, в которых может существовать материя Вселенной, и фазовые переходы, которые она испытала с момента ее рождения. Когда Вселенная была очень горячей и плотной, на протяжении начальных стадий Большого Взрыва материя находилась в форме кварк-глюонной плазмы. Только когда температура Вселенной опустилась ниже критической температуры “замерзания”, или заточения кварков и глюонов в ядрах, впервые образовались сложные частицы такие, как протоны, нейтроны и атомные ядра.

Столкновения тяжелых ядер на Большом Адронном Коллайдере дают нам уникальную возможность воспроизвести кварк-глюонную плазму в лабораторных условиях в форме крошечных горячих и плотных огненных шаров, сформировавшихся в процессе столкновений. Детекторы, работающие на Коллайдере, позволяют нам записать события, следующие в процессе расширения и остывания каждого из этих маленьких Больших Взрывов, наблюдая за тем, как кварк-глюонная плазма дает начало более привычным формам материи, наполняющей сегодняшнюю Вселенную. Проводя эти эксперименты, физики надеются получить ответы на ряд фундаментальных вопросов. При какой критической температуре появляется кварк-глюонная плазма? Каковы температура, давление, вязкость и прочие характеристики кварк-глюонной плазмы, образующейся на LHC? Как кварк-глюонная плазма распадается на отдельные адроны?

В эксперименте невозможно подвести какой-то «щуп» внутрь кварк-глюонной плазмы, поэтому ответы на эти вопросы приходится получать из косвенных методов, через регистрацию многочисленных адронов, рожденных в столкновении. Детектор ALICE был специально оптимизирован для изучения столкновений тяжелых ядер, см. рис. Его размеры составляют 26 метров в длину и 16 метров в поперечной плоскости; полная масса детектора — более 10 тысяч тонн. В центре несколькими цилиндрическими слоями расположены детекторы, которые позволяют регистрировать траектории частиц, а также детекторы для идентификации типа частиц. На больших углах расположен так называемый мюонный спектрометр, который позволяет эффективно отбирать и регистрировать мюоны.

Большой Адронный Коллайдер может произвести до 8 тысяч столкновений ядер свинца в секунду, в каждом из которых рождается до нескольких десятков тысяч новых частиц, разлетающихся во всех направлениях и попадающих в детекторы эксперимента ALICE. Информация с детекторов считывается и записывается на диск со скоростью более 1 ГБ в секунду, после чего физики начинают детальную обработку данных, реконструкцию треков частиц и анализ их распределений. Среди всего многообразия доступных для наблюдения величин есть несколько ключевых, которые хорошо зарекомендовали себя в предыдущих коллайдерных экспериментах с более низкими энергиями: количество рожденных адронов, их сорт и распределения по углу и энергии, угловые корреляции адронов, вероятность вылета тяжелых частиц, которая очень чувствительна к условиям внутри кварк-глюонной плазмы.

Наиболее очевидным эффектом, наблюдаемым в нецентральных столкновениях ядер, является возникновение так называемого коллективного потока. Асимметричное распределение кварков и глюонов в начале столкновения и последующие многократные столкновения между кварками приводят к анизотропному распределению направлений вылета частиц, которое можно измерить в эксперименте. Степень анизотропии вылета частиц напрямую связана с вязкостью материи — одной из важнейших характеристик любой жидкости, по которой можно судить о коллективном поведении и силах, действующих между частицами на микроскопическом уровне. В столкновениях ядер обнаружили очень большую анизотропию разлета частиц, что доказывает наличие многократного столкновения и рассеяния частиц, а значит, напрямую указывает на образование сильно взаимодействующей кварк-глюонной плазмы. Кроме того, оказалось, что кварк-глюонная плазма, рожденная в столкновениях ядер, по свойствам близка к идеальной жидкости и характеризуется очень маленькой вязкостью, намного меньше, чем у воды.

Одним из главных неожиданных открытий на коллайдере LHC стало обнаружение аналогичных коллективных эффектов в малых системах — в протон-протонных и протон-ядерных столкновениях при большой множественности, где рождается более сотни новых частиц. Это значит, что в процессе столкновения возникают сотни кварков и глюонов в очень маленьком объеме, но до сих пор не ясно, как за короткое время они успевают достаточно много раз провзаимодействовать друг с другом, приобрести коллективные свойства и образовать состояние, по свойствам похожее на настоящую кварк-глюонную плазму.

Важной частью исследований ядерных столкновений также является изучение вероятности рождения адронов, содержащих экзотические кварки. Обычная материя состоит из легких u и d кварков, но в процессе столкновения могут рождаться и более тяжелые виды кварков, получивших довольно причудливые названия: странные, очарованные, прелестные и истинные. Одним из интересных эффектов, наблюдаемых в столкновениях тяжелых ядер, является увеличение вероятности рождения странных адронов, частиц, содержащих странные кварки. Если результат столкновения — это просто рождение и разлет адронов без образования плазмы, то странных частиц будет мало. Если же плазма успела образоваться, то в гуще кварк-глюонной материи могут рождаться многочисленные странные кварки, которые затем превращаются в странные адроны. В итоге, при переходе от обычного столкновения к кварк-глюонной плазме должна расти относительная доля странных адронов. Этот эффект действительно наблюдается в столкновениях тяжелых ядер, но, к сожалению, у физиков до сих пор нет количественной теории, описывающей рождение странных кварков на микроскопическом уровне.

Недавно эксперимент ALICE обнаружил, что аналогичный рост вероятности рождения странных частиц наблюдается с ростом множественности и в малых системах – в протон-протонных и протон-ядерных столкновениях. При этом больший рост наблюдается для адронов, состоящих из нескольких странных кварков. Это свидетельствует в пользу того, что в протонных столкновениях запускаются те же процессы массового рождения странных кварков, как и в столкновениях ядер. Сейчас ещё рано утверждать, что рост вероятности рождения странных частиц связан с образованием микроскопических сгустков кварк-глюонной плазмы. Но есть надежда, что изучение этого эффекта в протон-протонных столкновениях позволит пролить свет на динамическую природу и микроскопические механизмы увеличения выхода странности.

Одним из наиболее важных признаков образования кварк-глюонной плазмы является так называемый эффект гашения струй, который выражается в сильном подавлении выходов частиц в центральных столкновениях тяжелых ядер из-за потерь энергии кварков и глюонов в среде. При этом расчеты в рамках квантовой хромодинамики предсказывают, что более тяжелые прелестные кварки должны терять меньше энергии по сравнению с более легкими очарованными кварками. Подавление очарованных мезонов, измеренное в эксперименте ALICE, действительно оказалось больше подавления частиц из распада прелестных мезонов, что является важным подтверждением этого предсказания.

НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимает активное участие в анализе данных эксперимента ALICE. Одним из основных направлений физических исследований группы ПИЯФ является изучение так называемых ультрапериферических столкновений ядер, когда одно ядро сталкивается не непосредственно с другим ядром, а с сопровождающим его электромагнитным полем, то есть с потоком фотонов от встречного ядра. Такие столкновения тоже могут разрушать ядра или выбивать из них новые частицы. Анализ распределений вылетевших частиц позволяет просканировать внутреннее устройство ядер сверхвысокой энергии.

Другим важным направлением исследований группы ПИЯФ является изучение резонансов – короткоживущих частиц, время жизни которых сравнимо с временем существования так называемой адронной фазы в ядро-ядерных столкновениях. Дело в том, что горячий и плотный сгусток кварк-глюонной плазмы быстро расширяется и в определенный момент превращается в облако адронов, то есть частиц, состоящих из кварков, которые в свою очередь продолжают сталкиваться друг с другом. Резонансы также рождаются из кварк-глюонной плазмы, но при этом значительная доля резонансов успевает распасться на более стабильные частицы внутри этого облака адронов. Поэтому изучение резонансов позволяет измерить время существования адронной фазы в ядро-ядерных столкновениях.

Сотрудники нашего института также принимают активное участие в производстве и обслуживании детекторных подсистем. Так, существенная доля мюонных камер мюонного спектрометра эксперимента была произведена в стенах Петербургского Института Ядерной Физики. В настоящее время эксперты ПИЯФ играют важную роль в сервисном обслуживании и ремонте трековых камер мюонного спектрометра, а также в модернизации мюонной системы. Об этом будет подробно рассказано в следующей статье.

Евгений Крышень