Данные Большого адронного коллайдера ЦЕРН ставят под сомнение модели структуры ядер кислорода и неона

Физики Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), проанализировав новую партию данных столкновений с детектора CMS Большого адронного коллайдера, обнаружили, что поведение ядер кислорода и неона в высокоэнергетических столкновениях не полностью соответствует предсказаниям существующих моделей. Этот результат указывает на то, что научное сообщество нуждается в дальнейшей корректировке представлений о форме и внутренней структуре некоторых лёгких атомных ядер.

В высокоэнергетических столкновениях ядер в области соударения кратковременно образуется кварк-глюонная плазма. Это состояние вещества быстро распадается, однако характеристики коллективного потока частиц в нём могут быть использованы для обратного восстановления геометрии столкновения и косвенно предоставляют информацию о структуре ядра. Исследователи полагают, что симметричные столкновения лёгких ионов способствуют лучшему контролю начальных условий столкновения и поэтому подходят для изучения коллективного отклика в малых системах.

Данное исследование сосредоточено на ионах кислорода-16 и неона-20 с близкими массами. Согласно существующим расчётам ядерной структуры, ядро кислорода-16 считается приблизительно тетраэдрической структурой, а ядро неона-20, как полагают, имеет форму, напоминающую «кеглю для боулинга». Поскольку массы двух типов ионов близки, столкновения кислород-кислород и неон-неон должны демонстрировать схожую гидродинамическую эволюцию; если в поведении потоков появятся различия, это может указывать на различия в геометрии столкновений и структуре ядер.

Исследовательская группа обработала данные столкновений частиц, зарегистрированных детектором CMS, с полной энергией столкновения 5,36 ТэВ на пару нуклонов, и сравнила экспериментальные результаты с гидродинамическими симуляциями, включающими современные расчёты ядерной структуры. Результаты показали, что в обоих типах столкновений наблюдаются выраженные эллиптический и треугольный потоки, причём характер потоков тесно связан с расстоянием от центра ядра при столкновении ионов, что соответствует отклику жидкости на геометрию столкновения.

В эксперименте ядра неона в большинстве столкновений демонстрировали более сильный сигнал эллиптического потока, чем ядра кислорода. Если ядро неона действительно более отклонено от сферической формы, это явление соответствует ожиданиям. Однако результаты треугольного потока не согласуются с модельными расчётами, что указывает на то, что существующие модели, возможно, ещё не точно описывают реальную структуру или динамический отклик ядер кислорода и неона в столкновениях.

Исследователи отмечают, что анализ потоков частиц может дать ключ к определению структуры ядер, участвующих в столкновениях, однако текущие данные и модели всё ещё недостаточны для точного определения формы ядра неона. Создание в будущем более совершенных теоретических моделей ускорительных столкновений может способствовать объяснению отклонений треугольного потока и дальнейшему улучшению понимания структуры лёгких атомных ядер.