RHIC的粒子碰撞中出现饱和迹象

STAR合作的成员报告了新的数据，这些数据表明相对论性重离子对撞机（RHIC）的原子核加速到非常高的能量可能达到胶子开始饱和的状态。图片来源：布鲁克海文国家实验室

在美国能源部布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的美国能源部科学办公室用户设施相对论性重离子对撞机（RHIC）研究粒子碰撞的核物理学家有新的证据表明，称为胶子的粒子在加速离子内达到稳定的“饱和”状态。证据是抑制从质子和较重的离子（原子核）之间的碰撞中出现的背对背粒子对，正如RHIC的STAR探测器所跟踪的那样。在刚刚发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，STAR合作表明，质子碰撞的原子核越大，这个关键特征的抑制就越大，正如胶子饱和度的理论模型所预测的那样。

“我们改变了碰撞离子束的种类，因为理论家预测这种饱和迹象在较重的原子核中更容易观察到，”布鲁克海文实验室物理学家Xiaoxuan Chu解释说，他是STAR合作的成员，领导了分析。“好消息是RHIC，世界上最灵活的对撞机，可以加速不同种类的离子束。在我们的分析中，我们使用了质子与其他质子，铝和金的碰撞。

Chu解释说，与更简单的质子相比，在铝中应该更容易看到饱和度，在金中甚至更容易看到饱和度，因为这些较大的原子核有更多的质子和中子，每个都由夸克和胶子组成。

以前的实验表明，当离子被加速到高能量时，胶子分裂，一成二，乘以非常高的数字。但科学家怀疑，胶子倍增不可能永远持续下去。相反，在接近光速的原子核中，相对论运动将原子核扁平化成加速的胶子“煎饼”，重叠的胶子应该开始重新组合。

“如果两个胶子重组为一个的速率平衡了单个胶子分裂的速率，则胶子密度达到稳定状态或平台，在那里它不会上升或下降。这就是饱和，“朱说。“因为较大的原子核中有更多的胶子和更多的重叠胶子，这些较大的离子应该比较小的离子更容易显示出重组和饱和的迹象，”她补充说。

扫描背对背对

为了寻找这些迹象，STAR科学家扫描了2015年收集的碰撞数据，其中一对“pi zero”粒子以背靠背配置撞击STAR的前向介子光谱仪。在这种情况下，背对背意味着在探测质子束的正向方向上，围绕探测器末端的圆形目标彼此相距180度。这些碰撞选择来自探测质子的单个高能夸克与目标离子（质子，铝或金）中的单个低动量胶子之间的相互作用。

当原子核被加速到接近光速时，它们会变得像煎饼一样变平。这种扁平化导致细胞核内的大量胶子 - 由单个胶子分裂产生 - 重叠和重组。如果胶子重组平衡了胶子分裂，则细胞核达到称为胶子饱和度的稳定状态。图片来源：布鲁克海文国家实验室

“我们使用来自质子的夸克作为工具或探针，来研究另一个离子内部的胶子，”Chu说。

该团队对“低动量分数”胶子特别感兴趣 - 大量的胶子，每个胶子携带原子核整体动量的一小部分。德国HERA加速器（1992-2007）的实验表明，在高能量下，质子和所有原子核都由这些低动量分数胶子主导。

Chu解释说，在质子 - 质子碰撞中，夸克 - 胶子相互作用非常简单。“这两个粒子 - 夸克和胶子 - 相互撞击并背靠背产生两个pi零粒子，”她说。

但是，当来自质子的夸克撞击一个较大的扁平核中的胶子时，许多胶子重叠，相互作用可能更复杂。夸克 - 或被击中的胶子 - 可能会击中多个额外的胶子。或者胶子可能与另一个胶子重新组合，失去其原始发射pi零趋势的所有“记忆”。

这两个过程 - 多次散射和胶子重组 - 都应该“涂抹”背靠背的pi零信号，布鲁克海文实验室“冷QCD”实验小组的领导者Elke Aschenauer解释说，该小组探索了量子色动力学（QCD）的细节，QCD是控制夸克和胶子在质子和原子核中相互作用的理论。

“因此，质子 - 质子碰撞为我们提供了一个基线，”Chu说。“在这些碰撞中，我们没有饱和度，因为没有足够的胶子和足够的重叠。为了寻找饱和度，我们比较了三个碰撞系统中双粒子相关性的可观察性。

结果匹配理论预测

STAR科学家在质子（黑色）与原子核（多色）的碰撞中寻找饱和迹象。通过跟踪一对中性π粒子（π0）在背靠背位置撞击前向探测器的事件，他们选择来自质子的高动量分数夸克和来自原子核的低动量分数胶子之间的相互作用。在大核中，他们看到了这种背靠背信号的抑制。这种抑制 - 描述胶子饱和状态的模型的关键预测 - 可能是由多个胶子散射和大量重叠胶子的重组引起的。图片来源：布鲁克海文国家实验室

结果正如理论所预测的那样，物理学家观察到在质子 - 金碰撞中撞击探测器的背靠背相关粒子最少，质子 - 铝碰撞的中等水平，以及基线质子 - 质子碰撞中最高的相关性。

科学家说，在较大的原子核中抑制pi零相关性，以及抑制越强的细胞核越大的事实，都是达到胶子饱和所需的胶子重组的明确证据。

“STAR将在2024年使用最近升级的前向探测器组件收集更多数据，跟踪其他应该对饱和敏感的可观测物，”布鲁克海文实验室物理学家Akio Ogawa解释说，他是STAR合作的成员，也是构建新的前向STAR探测器系统的关键参与者。

总之，RHIC结果也将成为未来电子 - 离子对撞机（EIC）中非常相似的测量的重要基础，该对撞机正在布鲁克海文建造，用于将电子与离子碰撞。

根据Aschenauer的说法，其中一位物理学家列出了该设施的研究计划，“如果我们现在在RHIC上测量这一点，在2000亿电子伏特（GeV）的碰撞能量下，这与我们将在EIC获得的碰撞能量非常相似。这意味着我们可以在EIC上使用相同的可观察量来测试重组和饱和度是否是原子核的通用属性，正如饱和度模型所预测的那样。

她说，在这两个设施中看到相同的结果，“将证明这些特性不依赖于我们用来研究它们的探头的结构和类型。

更多信息：M. S. Abdallah等人，QCD中非线性胶子效应的证据及其在STAR的质量数依赖性，物理评论快报（2022）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.129.092501

期刊信息：物理评论快报