Ученые рассчитали рождение J/ψ-мезонов для будущего коллайдера NICA
Ученые МФТИ совместно с коллегами из Объединенного института ядерных исследований в Дубне рассчитали, как будут рождаться J/ψ-мезоны — связанные состояния очарованного кварка и антикварка — в протон-протонных столкновениях на строящемся коллайдере NICA. Полученные теоретические предсказания помогут подготовить будущие эксперименты и уточнить представления о внутреннем устройстве протона. Результаты опубликованы в журнале Physical Review C.
J/ψ-мезон занимает особое место в физике элементарных частиц. Его открытие в 1974 году сразу двумя независимыми экспериментами стало одним из важнейших событий в истории физики высоких энергий. Оно подтвердило существование очарованного кварка и стало одним из ключевых доказательств справедливости кварковой модели, за что уже через два года была присуждена Нобелевская премия.
J/ψ представляет собой связанную систему очарованного кварка и антиочарованного антикварка. Для рождения такой частицы необходимо столкновение двух глюонов — по одному от каждого протона. Поэтому измерения характеристик рождения J/ψ позволяют получать информацию о распределении глюонов внутри протона — одной из центральных задач современной квантовой хромодинамики.
Коллайдер NICA, который строится в Дубне на базе Объединенного института ядерных исследований, предназначен для изучения свойств ядерной материи при энергиях от 4 до 27 ГэВ в системе центра масс. Этот диапазон считается особенно интересным, поскольку соединяет область низкоэнергетических экспериментов с режимами крупнейших мировых ускорителей, оставаясь при этом сравнительно мало исследованным.
Именно в этой области энергии открываются новые возможности для изучения структуры протона. Здесь сохраняется применимость методов квантовой хромодинамики, а чувствительность к распределению глюонов по поперечному импульсу становится особенно высокой. Детектор SPD, который создается для экспериментов на NICA, позволит проводить такие исследования с использованием поляризованных протонных пучков.
В своей работе исследователи использовали формализм поперечно-импульсно-зависимых функций распределения (TMD). В отличие от традиционного описания, учитывающего только долю продольного импульса глюона, этот подход позволяет также учитывать его поперечное движение внутри протона. Именно такие распределения необходимы для построения полноценной трехмерной картины внутренней структуры протона.
Для расчетов ученые использовали генератор событий PEGASUS и сравнили два современных набора TMD-распределений глюонов, основанных на различных моделях их эволюции. Моделирование было выполнено для трех энергий столкновения — 9, 18 и 27 ГэВ, соответствующих рабочему диапазону NICA.
Одним из наиболее важных результатов стало сравнение двух механизмов рождения J/ψ, предсказываемых квантовой хромодинамикой: цветосинглетного и цветооктетного.
При цветосинглетном механизме кварк-антикварковая пара сразу рождается в состоянии с теми же квантовыми числами, что и готовый мезон. В цветооктетном механизме пара первоначально возникает в другом цветовом состоянии, а затем превращается в J/ψ благодаря испусканию мягких глюонов.
Расчеты показали, что в энергетическом диапазоне NICA именно цветооктетный механизм играет определяющую роль. Вклад цветосинглетного механизма во всех рассмотренных случаях составляет лишь несколько процентов. Это существенно отличает область энергий NICA от режима Большого адронного коллайдера, где оба механизма дают сопоставимый вклад.
Авторы также оценили теоретические неопределенности, связанные с выбором шкалы перенормировки. Оказалось, что они остаются стабильными во всем исследованном диапазоне энергий, что свидетельствует о надежности выполненных расчетов.
Кроме того, моделирование показало, что полное сечение рождения J/ψ закономерно увеличивается с ростом энергии столкновения. Небольшое отклонение от этой зависимости при энергии 9 ГэВ связано с пороговыми эффектами, возникающими вблизи минимальной энергии рождения тяжелой частицы.
Именно эта область представляет особый интерес для будущих экспериментов. Здесь ожидаются наиболее заметные различия между существующими теоретическими моделями, поэтому измерения на детекторе SPD смогут существенно уточнить современные представления о распределении глюонов внутри протона.
Алексей Апарин, заведующий лабораторией перспективных технологий для установок и экспериментов класса мегасайенс МФТИ, отметил:
«J/ψ — одна из немногих частиц, которая позволяет одновременно проверять несколько фундаментальных аспектов квантовой хромодинамики. Энергетический диапазон NICA уникален тем, что здесь особенно хорошо проявляются различия между механизмами рождения мезона и возрастает чувствительность к поперечному движению глюонов внутри протона. Наши расчеты дают экспериментаторам подробную карту ожидаемых процессов и помогают определить, какие измерения принесут наиболее ценную информацию о внутренней структуре протона».
Полученные результаты станут важной теоретической основой для будущей программы исследований на коллайдере NICA. Они помогут оптимизировать экспериментальные измерения и приблизят физиков к созданию наиболее полного трехмерного описания распределения глюонов — ключевого элемента структуры протона.
Источник:
Физики из МФТИ предсказали рождение J/ψ-мезона на будущем коллайдере NICA — За науку