Джет-квенчинг

Джет-квенчинг (от англ. jet quenching — «гашение струи») — это явление подавления (потери энергии) адронных струй, образующихся в результате столкновения высокоэнергетических частиц, при их прохождении через плотную ядерную или кварк-глюонную среду. В физике элементарных частиц и ядерной физике джет-квенчинг является ключевым наблюдаемым эффектом, используемым для изучения свойств кварк-глюонной плазмы (КГП) — состояния вещества, существовавшего в первые мгновения после Большого взрыва. Явление проявляется в уменьшении выхода частиц с большим поперечным импульсом и в изменении структуры струй по сравнению с аналогичными процессами в вакууме (например, в протон-протонных столкновениях).

История открытия и изучения

Теоретическое предсказание эффекта подавления адронных струй в ядерных столкновениях было сделано в начале 1980-х годов. Первые косвенные указания на существование джет-квенчинга были получены в экспериментах на ускорителе SPS (CERN) в 1990-х годах, где наблюдалось подавление выхода частиц с большим поперечным импульсом в столкновениях ядер свинца. Однако систематическое изучение явления началось с запуском коллайдера тяжелых ионов RHIC (Брукхейвенская национальная лаборатория, США) в 2000 году. Эксперименты STAR и PHENIX на RHIC впервые зафиксировали значительное (в 4–5 раз) подавление выхода адронов с поперечным импульсом более 2 ГэВ/c в центральных столкновениях золото-золото по сравнению с протон-протонными столкновениями. Это считалось прямым доказательством образования плотной среды, поглощающей энергию струй.

Дальнейшее развитие исследований произошло на Большом адронном коллайдере (LHC, CERN) после 2010 года. Эксперименты ALICE, ATLAS и CMS на LHC позволили не только подтвердить эффект подавления, но и впервые детально измерить внутреннюю структуру модифицированных струй (субструктуру струй, распределение энергии внутри них). Было обнаружено, что в ядерных столкновениях струи становятся более широкими и асимметричными, а также наблюдается потеря энергии на периферии струи (эффект «размытия»).

Физический механизм

При столкновении двух релятивистских тяжелых ионов (например, ядер золота или свинца) образуется область с очень высокой плотностью энергии — кварк-глюонная плазма. В этой среде кварки и глюоны находятся в деконфайнменте (не связаны в адроны). Партоны (кварки и глюоны), образующиеся в результате жесткого рассеяния с большим передаваемым импульсом, движутся сквозь эту среду. Взаимодействуя с частицами среды, они теряют энергию за счет двух основных процессов:

• Глюонное тормозное излучение (радиационные потери). При движении через среду партон испускает виртуальные глюоны, которые впоследствии адронизируются (превращаются в адроны). Этот процесс аналогичен тормозному излучению в электродинамике, но в квантовой хромодинамике (КХД) он доминирует. Энергия, излученная партоном, уносится глюонами, которые могут покинуть струю или быть поглощены средой.
• Столкновительные потери. Партон упруго рассеивается на частицах среды (кварках и глюонах), передавая им часть своей энергии. Этот механизм обычно менее значителен, чем радиационные потери, но его вклад возрастает при низких энергиях партона.

Суммарная потеря энергии партона пропорциональна длине его пути в среде и плотности среды. Ключевым параметром является транспортный коэффициент $\hat{q}$ (произносится «q-шляпка»), который характеризует среднюю квадратичную передачу поперечного импульса партону на единицу длины пути. Величина $\hat{q}$ напрямую связана с плотностью глюонного поля в КГП.

Наблюдаемые проявления

Джет-квенчинг проявляется в нескольких экспериментально измеряемых величинах:

• Фактор подавления ядер ($R_{AA}$). Отношение выхода адронов с заданным поперечным импульсом в ядерных столкновениях (A+A) к выходу в протон-протонных столкновениях (p+p), нормированное на число бинарных нуклон-нуклонных столкновений. Если $R_{AA} < 1$, это указывает на подавление. В центральных столкновениях тяжелых ионов на LHC $R_{AA}$ для адронов с импульсом около 10 ГэВ/c составляет примерно 0,2–0,3, что свидетельствует о сильном поглощении.
• Дисбаланс поперечного импульса в парных струях. В протон-протонных столкновениях две струи, образующиеся от одного жесткого рассеяния (ди-джет), обычно имеют почти равные поперечные импульсы. В ядерных столкновениях одна из струй может пройти через большую толщину среды и потерять больше энергии, что приводит к дисбалансу: одна струя оказывается значительно слабее другой.
• Модификация субструктуры струи. Измеряется, как распределена энергия внутри струи. В ядерных столкновениях струи становятся более широкими, а их ядро (область с наибольшей энергией) — менее выраженным. Это объясняется тем, что излученные глюоны отклоняются на большие углы из-за взаимодействия со средой.
• Подавление выхода тяжелых кварков (charm, bottom). Тяжелые кварки (c и b) теряют энергию в среде несколько иначе, чем легкие (u, d, s). Изучение подавления струй, инициированных тяжелыми кварками, позволяет разделить вклад радиационных и столкновительных потерь.

Методы теоретического описания

Теоретическое описание джет-квенчинга является сложной задачей, требующей учета процессов на разных масштабах энергии. Используются несколько подходов:

• Модели на основе пертурбативной КХД (pQCD). Рассчитывают вероятность излучения глюонов партоном в среде, используя формализм БДМПС (Baier-Dokshitzer-Mueller-Peigné-Schiff) или его обобщения. Эти модели позволяют вычислить спектр потерь энергии.
• Гидродинамические модели. Описывают эволюцию кварк-глюонной плазмы как жидкости с помощью уравнений гидродинамики. Партоны, движущиеся сквозь эту жидкость, теряют энергию, что моделируется путем добавления члена потерь в уравнения движения.
• Модели Монте-Карло (например, JEWEL, Q-PYTHIA). Комбинируют генерацию жесткого рассеяния (с помощью PYTHIA) с моделированием прохождения партонов через среду. Позволяют моделировать полную эволюцию струи, включая адронизацию, и сравнивать с экспериментальными данными.

Значение для физики

Джет-квенчинг является одним из наиболее информативных инструментов для изучения свойств кварк-глюонной плазмы. Измеряя степень подавления и модификацию струй, физики могут:

• Оценивать плотность энергии КГП (которая в центральных столкновениях на LHC достигает 10–15 ГэВ/фм³, что в десятки тысяч раз превышает плотность ядерной материи).
• Определять транспортный коэффициент $\hat{q}$, который характеризует «вязкость» и «прозрачность» среды для высокоэнергетических частиц.
• Изучать механизмы термализации (перехода энергии от быстрых партонов к среде) и проверять предсказания квантовой хромодинамики в экстремальных условиях.

Данные по джет-квенчингу, полученные на RHIC и LHC, подтверждают, что кварк-глюонная плазма является почти идеальной жидкостью с очень низкой вязкостью. Дальнейшие исследования, в частности на будущих коллайдерах (например, на Нуклотроне в ОИЯИ, Дубна), направлены на более точное измерение параметров среды и изучение зависимости подавления от типа партона (цветового заряда) и энергии.

Источники

1. Gyulassy, M., & Wang, X. N. (1994). Multiple collisions and induced gluon bremsstrahlung in QCD. Nuclear Physics B, 420(3), 583-614.
2. Baier, R., Dokshitzer, Y. L., Mueller, A. H., Peigné, S., & Schiff, D. (1997). Radiative energy loss of high-energy quarks and gluons in a finite-volume quark-gluon plasma. Nuclear Physics B, 483(1-2), 291-320.
3. Adcox, K., et al. (PHENIX Collaboration). (2002). Suppression of hadrons with large transverse momentum in central Au+Au collisions at sqrt(s_NN) = 130 GeV. Physical Review Letters, 88(2), 022301.
4. Aad, G., et al. (ATLAS Collaboration). (2010). Observation of a centrality-dependent dijet asymmetry in lead-lead collisions at sqrt(s_NN) = 2.76 TeV with the ATLAS detector at the LHC. Physical Review Letters, 105(25), 252303.
5. Chatrchyan, S., et al. (CMS Collaboration). (2011). Observation and studies of jet quenching in PbPb collisions at sqrt(s_NN) = 2.76 TeV. Physical Review C, 84(2), 024906.
6. Abelev, B., et al. (ALICE Collaboration). (2012). Suppression of high transverse momentum D mesons in central Pb-Pb collisions at sqrt(s_NN) = 2.76 TeV. Journal of High Energy Physics, 2012(9), 112.