Эффект "мертвого конуса" является фундаментальным элементом сильного ядерного взаимодействия — одного из четырех фундаментальных сил природы — ответственного за связывание кварков и глюонов. Это фундаментальные частицы, из которых состоят адроны, такие как протоны и нейтроны, которые, в свою очередь, составляют все атомные ядра, которые никогда не наблюдаются сами по себе при нормальных обстоятельствах, только на таких высоких энергетических уровнях, которые генерируются на БАК.
Эффект мертвого конуса был предсказан три десятилетия назад как часть теории сильного взаимодействия, и ранее он косвенно наблюдался на ускорителях частиц. Тем не менее, непосредственное наблюдение эффекта остается проблемой для физиков. К счастью, детектор ALICE (эксперимент с большим ионным коллайдером) — часть эксперимента на БАК, который, в отличие от других экспериментов по столкновению протонов и столкновению ядер тяжелых атомов, особенно свинца, — оказался идеальным оборудованием для этого.
В ALICE ученые могут проводить измерения при довольно низких энергиях по стандартам LHC, что важно, потому что угол мертвого конуса велик только для низкоэнергетических тяжелых кварков. В распоряжении команды исследователей были детекторы, которые работают как камеры и действительно хорошо находят адроны, в которых есть тяжелые кварки — важный шаг в реконструкции изолированного тяжелого кварка.
Для понимания эффекта, вам нужно немного углубить свои знания о кварках. Существует три поколения кварков с разной массой, причем очарованные кварки являются частью второго поколения кварков. Эффект мертвого конуса объясняет физикам, почему тяжелые кварки второго и третьего поколения, такие как кварки "charm" и "beauty", эволюционируют по-разному, когда они возникают в результате столкновений на БАК, по сравнению с более легкими кварками и глюонами, не имеющими массы.
Столкновения частиц на БАК высвобождают кварки и глюоны — частицы, известные под общим названием партоны, — которые обычно заключены внутри адронов, как протоны и нейтроны, и свободны только на высоких энергетических уровнях. Столкновение частиц приводит к каскаду событий, называемому партонным ливнем, который излучает энергию в виде глюонов.
Когда эти частицы создаются в результате столкновений и движутся наружу, они начинают излучать больше кварков и глюонов. Характер этих выбросов очень важен, потому что они тесно связаны с сильным взаимодействием и помогают ученым узнать о его свойствах. Одним из способов воздействия на эти паттерны является масса излучающего кварка, в данном случае очаровательного кварка, через эффект мертвого конуса.
Демонстрация увеличения массы кварка в процессе столкновения.
Как работает эффект мертвого конуса?
Мертвый конус — это угол вокруг излучающего кварка, размер которого зависит от того, насколько тяжел кварк. Внутри этого конуса испускание глюонов гораздо менее вероятно. Это означает, что, наблюдая, где не испускаются глюоны, и измеряя этот мертвый конус, ученые могут определить массу изучаемой частицы.
Три основных типа кварков довольно тяжелые, угол довольно велик и оказывает большое влияние на структуру глюонов, которые может испускать тяжелый кварк. Очаровательный кварк имеет большую массу — наряду с прекрасным и топ-кварком — что означает, что у него должен быть большой мертвый конус. Таким образом, техника исследвоания заключалась в том, чтобы изолировать очарованный кварк и реконструировать испускаемые им глюоны, а также наблюдать область мертвого конуса вокруг кварка, где испускание глюонов было редким.
Техника команды ALICE откатила партонный поток назад во времени от его частиц конечного продукта, когда более редкие частицы, созданные в партонном потоке, распались. Затем команда искала следы очарованного кварка и проследила его историю испускания глюонов.
Сравнение этой картины излучения с излучением более легких кварков и глюонов выявило мертвый конус в излучении очарованного кварка. Этот метод позволил не только изолировать очарованный кварк, но и измерить эффект, который напрямую зависит от массы, которую он имеет до того, как он свяжется в адрон.
Команда ALICE теперь планирует продолжить исследование эффекта мертвого конуса с помощью данных, которые будут собраны в рамках третьего запуска на LHC.
