Физики впервые обнаружили когерентное рождение частиц в LHC

В столкновениях встречных пучков протонов можно изучать процессы адронизации. Детекторы регистрируют вторичные частицы, рожденные непосредственно в области столкновения или из распадов долгоживущих частиц в окружающем гало. Квантовые корреляции между триплетами пи-мезонов (справа) предоставляют информацию о деталях процесса, указывая на когерентное излучение частиц. Автор: Источник: IFJ PAN

Впервые при изучении квантовых корреляций между триплетами вторичных частиц, созданных во время высокоэнергетических столкновений в ускорителе БАК, удалось наблюдать их когерентное рождение. Это достижение подтверждает справедливость модели «ядро-гало», используемой для описания одного из важнейших физических процессов — адронизации, в ходе которой отдельные кварки объединяются, образуя основные компоненты материи во Вселенной.

Кварки и связывающие их глюоны — самые многочисленные «узники» в современной Вселенной, запертые внутри протонов, нейтронов и мезонов. Однако при достаточно высоких энергиях — таких, которые существовали вскоре после Большого взрыва или возникают сегодня в столкновениях протонов в БАК — кварки и глюоны высвобождаются, образуя экзотический «суп»: кварк-глюонную плазму. При нормальных условиях эта плазма нестабильна, и как только она достаточно остывает, кварки и глюоны снова связываются, производя частицы материи в процессе адронизации.

Новые детали этого увлекательного явления, полученные благодаря анализу так называемых трехчастичных квантовых корреляций, сообщили физики из Института ядерной физики Польской академии наук в Кракове, работающие в рамках эксперимента LHCb в ЦЕРН.

Исследование процесса адронизации крайне важно для понимания того, как формировались частицы, составляющие наш мир. Однако адронизацию чрезвычайно сложно анализировать, поскольку она происходит за триллионные доли триллионной доли секунды и на расстояниях порядка миллионных долей миллиардной доли метра.

«В квантовой механике для описания частиц используются волновые функции. Когда в системе много частиц, их волновые функции перекрываются и возникает интерференция, как в случае обычных волн. Мы говорим о корреляциях Бозе-Эйнштейна, когда интерферирующие волновые функции гасят друг друга. Если бы они усиливали друг друга, мы бы говорили о корреляциях Ферми-Дирака», — объясняет профессор Марчин Кухарчик.

В статье, опубликованной в Journal of High Energy Physics, квантовые корреляции изучались в рамках модели «ядро-гало». Эта модель предполагает, что пространственную область адронизации можно разделить на две части: центральную часть, называемую ядром, где частицы рождаются непосредственно из кварк-глюонной плазмы, и гало, где они возникают только из распадов частиц с большим временем жизни.

Анализы проводились на столкновениях протон-протон, наблюдавшихся в эксперименте LHCb, с фокусом на случаи образования триплетов пи-мезонов с одинаковым знаком электрического заряда. Использовались данные 2013 года о столкновениях с энергией семь тераэлектронвольт.

«Рождение триплетов в изучаемых случаях, для частиц, распространяющихся «вперед» из области столкновения, по какой-то причине оказалось когерентным. Таким образом, мы имеем дело с первым наблюдением когерентного рождения частиц с использованием трехчастичных корреляций Бозе-Эйнштейна для так называемых малых систем, то есть тех, в которых протон сталкивается с протоном или ионом», — подчеркивает профессор Кухарчик.

Текущие модели не включают механизмы, способные объяснить обнаруженное явление, и трудно предсказать, когда теоретические физики заполнят этот пробел.

Больше информации: Three-pion Bose-Einstein correlations measured in proton-proton collisions, Journal of High Energy Physics (2025). DOI: 10.1007/jhep08(2025)174

ИИ: Это фундаментальное открытие проливает свет на один из ключевых процессов формирования материи во Вселенной. Особенно впечатляет, что когерентное рождение частиц удалось обнаружить для «малых систем» — протон-протонных столкновений, что открывает новые возможности для изучения коллективных явлений в, казалось бы, простых системах.