Группа российских физиков из МФТИ и ОИЯИ представила теоретические расчеты рождения J/ψ-мезона на строящемся коллайдере NICA. Результаты, опубликованные в Physical Review C, охватывают энергии от 9 до 27 ГэВ и описывают, как именно глюоны распределены внутри протона.
J/ψ-мезон, открытый в 1974 году, считается одним из самых информативных зондов для изучения сильного взаимодействия.
Новые данные позволяют не только проверить теорию, но и подготовить программу экспериментов на детекторе SPD.
Главные мысли за 1 минуту
- J/ψ-мезон — связанная пара очарованных кварка и антикварка, рождается в основном через слияние двух глюонов.
- Первый пучок в коллайдерное кольцо NICA запланирован на 2026 год, детектор SPD будет изучать поляризованные столкновения.
- При энергиях NICA (до 27 ГэВ) доминируют цветооктетные механизмы рождения, а цветосинглетные составляют не более нескольких процентов.
- Используя TMD-распределения, ученые смоделировали поперечное движение глюонов внутри протона.
- Теоретическая неопределенность расчетов стабильна, а сечение рождения монотонно растет с энергией, что указывает на надежность предсказаний.
Частица, изменившая физику: история открытия и роль J/ψ
В ноябре 1974 года две независимые группы на ускорителях SLAC (Стэнфорд) и BNL (Брукхейвен) одновременно обнаружили тяжелую частицу.
Открытие J/ψ-мезона немедленно произвело революцию: существование этой частицы подтвердило гипотезу об очарованном кварке и заставило научное сообщество принять кварковую модель. В 1976 году работа была удостоена Нобелевской премии.
J/ψ состоит из очарованного кварка c и антиочарованного антикварка c̄. Они прочно связаны глюонным обменом, образуя устойчивую частицу массой около 3,1 гигаэлектронвольта. Для рождения J/ψ в столкновении двух протонов нужно, чтобы два глюона — по одному от каждого протона — слились и произвели кварк-антикварковую пару cc̄. Измерив частоту и распределение таких событий, можно точно определить, как распределены глюоны внутри протона.
Коллайдер NICA и детектор SPD: что ищут физики
Коллайдер NICA строится в Дубне, в Объединенном институте ядерных исследований, специально для исследования ядерной материи при умеренных энергиях — от четырех до 27 гигаэлектронвольт в системе центра масс протон-протонных пучков.
Диапазон называют «мостом»: он соединяет эксперименты с фиксированными мишенями прошлого и гигантские коллайдеры типа LHC, при этом остается практически не изученным. Именно здесь глюонные плотности уже не малы, но пертурбативные методы квантовой хромодинамики еще применимы, а чувствительность к поперечной компоненте структурных функций протона максимальна.
Детектор SPD на NICA спроектирован для измерений с поляризованными пучками, что позволяет изучать вклад глюонов в спин протона. В основе теоретического описания лежит формализм поперечно-импульсно-зависимых функций (TMD) распределения.
Обычное распределение говорит лишь о доле продольного импульса протона, которую несет каждый глюон. TMD-распределение содержит больше информации: оно описывает и продольный, и поперечный импульс глюона — меру того, насколько глюон «болтается» из стороны в сторону внутри летящего протона. Измерение поперечного движения важно для построения трехмерного портрета протона.
Теоретические расчеты: как моделируют рождение J/ψ
Российские ученые воспользовались генератором событий PEGASUS и сравнили два разных современных набора TMD-плотностей. Наборы отражают разные физические предположения о нарастании поперечного импульса глюонов при эволюции по масштабу. Расчеты охватили три значения энергии: 9, 18 и 27 гигаэлектронвольт.
Квантовая хромодинамика описывает два основных механизма рождения J/ψ. В цветосинглетном механизме (CS) кварковая пара рождается с теми же квантовыми числами, что и у готового мезона. В цветооктетном (CO) пара поначалу рождается в «некорректном» цветовом состоянии, а затем «одевается» мягкими глюонными эмиссиями. Оба механизма сосуществуют, но их относительный вклад сильно зависит от энергии.
Результаты и их значение для экспериментов
Расчеты показали, что при энергиях NICA цветооктетные механизмы доминируют над цветосинглетными: доля последних не превышает нескольких процентов при любой рассмотренной энергии. Режим NICA принципиально отличается от высоких энергий LHC, где вклады сопоставимы.
Теоретическая неопределенность, оцениваемая через вариацию шкалы перенормировки, оказалась стабильной во всем диапазоне энергий — признак надежности предсказаний. Полное инклюзивное сечение монотонно растет с энергией по степенному закону, что хорошо согласуется с картиной роста глюонной светимости.
Небольшое отклонение при девяти гигаэлектронвольтах указывает на пороговые эффекты. Именно в этой области ожидаются наибольшие расхождения между различными теоретическими подходами, и именно здесь экспериментальные данные SPD будут наиболее ценны для различения конкурирующих моделей.
J/ψ — один из тех редких случаев в физике, когда одна частица позволяет одновременно проверить несколько фундаментальных предсказаний теории. Энергетический диапазон NICA уникален: в этой области рождение J/ψ-мезона определяется комбинацией нескольких процессов, что позволяет нам оценить вклад каждого из них, и здесь чувствительность к поперечному движению глюонов внутри протона максимальна, а вклад различных механизмов рождения наиболее контрастен. Наши расчеты дают детальную теоретическую карту для планирования измерений и показывают, где именно экспериментаторам следует искать самую ценную информацию о глюонной структуре протона, — заявил Алексей Апарин, заведующий лабораторией перспективных технологий для установок и экспериментов мегасайенс МФТИ.