Недавняя работа специалистов Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) показала, что в эксперименте на коллайдере в условиях высоких энергий протон-протонные соударения начинают в некоторых отношениях напоминать ядро-ядерные. Это позволяет надеяться на то, что в ближайшее время анализ данных экспериментов на Большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider, LHC) даже в протон-протонных взаимодействиях сможет подтвердить ожидаемое наличие черенковского излучения глюонов, которое, возможно, наблюдалось на ускорителе RHIC в ядро-ядерных столкновениях.

В работе исследовались специальные характеристики ультрарелятивистских протон-протонных взаимодействий при энергии 7 ТэВ. Оказалось, что они напоминают аналогичные характеристики взаимодействий ядер на LHC.

Обычно считается, что в результате ядро-ядерных соударений при высоких энергиях на короткое время возникает очень плотное и сильно взаимодействующее вещество. Условно говоря, это плазма. Предполагается, что при распространении через такую плазму быстрых цветных частиц может возникать черенковское излучение глюонов, подобное черенковскому излучению фотонов, возникающему когда заряженная частица движется в среде с постоянной скоростью, превышающей фазовую скорость света в этой среде.

А может ли этот эффект проявиться и в протонных столкновениях при очень высоких энергиях?

Черенковское излучение – впервые это явление обнаружено С.И. Вавиловым и П.А. Черенковым в ФИАНе в 1934 году и теоретически объяснено И.Е. Таммом и И.М. Франком в 1937 году. В 1958 году сотрудники института П.А. Черенков, И.Е. Тамм и И.М. Франк были удостоены Нобелевской премии по физике «за открытие и истолкование эффекта Вавилова-Черенкова».

Эффект заключается в том, что заряженная частица, которая движется в среде с постоянной скоростью, превышающей фазовую скорость света в этой среде, начинает излучать свет. Эта работа привела к развитию сверхсветовой оптики, нашедшей широкое применение во многих областях, в частности в физике плазмы. Излучение Черенкова широко используется в физике высоких энергий для регистрации релятивистских частиц и определения их скоростей.

Черенковские счетчики применяются практически во всех современных детекторах частиц высоких энергий.

Комментирует ведущий научный сотрудник сектора высоких энергий ФИАН доктор физико-математических наук Андрей Леонидов:

"Черенковское излучение глюонов – очень крупная и интересная тема, которая нашла экспериментальное подтверждение. Это тема для ФИАНа особенная, поскольку все участники открытия 30-х годов работали в ФИАНе.

Довольно давно, еще в 1979 году, доктор физико-математических наук И. М. Дремин предположил, что возможно черенковское излучение глюонов, то есть сильно взаимодействующих частиц, аналогичное черенковскому излучению фотонов. Было высказано предположение, что некоторые события сильных взаимодействий в космических лучах демонстрируют кольцевую структуру, характерную для черенковского излучения. Одно из таких событий было обнаружено в фиановских экспериментах.

И вот, по прошествии многих лет, в эксперименте на релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории такая кольцевая структура была обнаружена в ультрарелятивистских ядро-ядерных взаимодействиях. В проекции на диаметр кольца она проявляется в виде двух максимумов, как это было продемонстрировано еще ПА. Черенковым.

Теоретическое описание аналогичного двугорбового распределения, наблюдавшегося на RHIC, позволяет определить ядерный показатель преломления, что и было сделано в работе И.М. Дремина, М.Р. Киракосяна, А. В. Леонидова и А.В. Виноградова.

А недавняя наша работа с М.Ю. Азаркиным и И.М. Дреминым фактически посвящена вот чему. Энергии коллайдера настолько велики, что протон-протонные соударения начинают в некоторых отношениях напоминать ядро-ядерные. В них рождается очень много частиц, и некоторые характеристики заставляют предположить, что физика протон-протонных соударений становится более коллективной – в таких соударениях имеется настоящий коллективный эффект, похожий на те, которые наблюдаются в ядро-ядерных. Что это значит?

Существуют процессы – например, такие, как фотоэффект, – которые связаны с индивидуальным фотоном. А если же этих фотонов очень много, они образуют знакомое электромагнитное поле. И вот это поле -коллективное свойство всех фотонов, не сводимое “просто” к сумме их индивидуальных свойств. Язык физики здесь начинает меняться.

Например, гораздо удобнее характеризовать вещество температурой, а не следить за скоростью каждой молекулы или скоростью ее колебаний. Так же и здесь – фактически уже невозможно следить за судьбой каждого отдельного глюона. Естественно, коллективные эффекты здесь связаны уже не с электромагнитными полями, поскольку речь идет о сильных взаимодействиях, а с глюонными сильными полями.

Предыдущее исследование базировалось на данных коллайдера RHIC. А сейчас мы с нетерпением ждем результата анализа с Большого адронного коллайдера, где уже получены данные как по протон-протонным взаимодействиям, так и по соударениям тяжелых ионов. Посмотрим, что покажет их обработка, есть ли там кольцевые структуры.

Замечательно, что эта традиционная для нашего института тематика, в которой начиная с 30-х годов, работали все поколения ученых ФИАНа, получила такое развитие".