J/ψ-мезон занимает особое место в истории физики элементарных частиц. Он был открыт в ноябре 1974 года сразу в двух независимых экспериментах — на ускорителях SLAC (Стэнфорд) и BNL (Брукхейвен) — и немедленно произвел революцию: существование этой тяжелой частицы подтвердило гипотезу об очарованном кварке и заставило физиков поверить в состоятельность всей кварковой модели. Открытие принесло Нобелевскую премию 1976 года.
J/ψ состоит из очарованного кварка c и его антипода — антиочарованного антикварка c̄, прочно связанных через глюонный обмен в устойчивую частицу массой около 3,1 гигаэлектронвольта. Именно эта структура и делает J/ψ таким ценным инструментом. Для его рождения в столкновении двух протонов нужно, чтобы по одному глюону от каждого протона слились и произвели пару cc̄. Это означает, что измерив, как часто и с каким распределением рождаются J/ψ, можно точнее определить, как распределены глюоны внутри протона.
Коллайдер NICA строится в Дубне, в Объединенном институте ядерных исследований, специально для того, чтобы исследовать ядерную материю при умеренных энергиях — в диапазоне от четырех до 27 гигаэлектронвольт в системе центра масс протон-протонных пучков. Этот энергетический диапазон принято называть «мостом»: он соединяет эксперименты с фиксированными мишенями прошлого и гигантские коллайдеры типа LHC, при этом оставаясь практически не изученным. Именно здесь физика оказывается особенно богатой: глюонные плотности уже не малы, но пертурбативные методы квантовой хромодинамики еще применимы, а чувствительность к поперечной компоненте структурных функций протона максимальна. Детектор SPD на NICA специально создан для измерений с поляризованными пучками, что позволяет изучать вклад глюонов в спин протона.
В основе теоретического описания лежит формализм поперечно-импульсно-зависимых функций (TMD) распределения. Обычное распределение говорит лишь о том, какую долю продольного импульса протона несет каждый глюон. TMD-распределение содержит значительно больше информации: оно описывает не только продольный, но и поперечный импульс глюона — меру того, насколько глюон «болтается» из стороны в сторону внутри летящего протона. Измерение этого поперечного движения очень важно для создания трехмерного портрета протона, который еще не построен.
Российские ученые воспользовались генератором событий PEGASUS и сравнили два разных современных набора TMD-плотностей. Оба набора отражают разные физические предположения о нарастании поперечного импульса глюонов при эволюции по масштабу. Результаты опубликованы в журнале Physical Review C.
Расчеты охватили три значения энергии: 9, 18 и 27 гигаэлектронвольт — и дали ценные результаты, позволяющие сравнить между собой эти два набора.
Особенно интересным оказался результат об относительном вкладе различных механизмов рождения J/ψ. Квантовая хромодинамика описывает два основных таких механизма: цветосинглетный механизм (CS) и цветооктетный (CO).
В первом кварковая пара рождается с теми же квантовыми числами, что и у готового мезона. Во втором пара поначалу рождается в «некорректном» цветовом состоянии, а затем «одевается» мягкими глюонными эмиссиями.
Оба механизма сосуществуют, но их относительный вклад сильно зависит от энергии. Расчеты показали, что при энергиях NICA цветооктетные механизмы доминируют над цветосинглетными: доля последних не превышает нескольких процентов при любой энергии в рассматриваемом диапазоне. Это принципиально отличает режим NICA от высоких энергий LHC, на которых вклады сопоставимы.
Теоретическая неопределенность, оцениваемая через вариацию шкалы перенормировки, оказалась стабильной во всем рассматриваемом диапазоне энергий, это признак надежности предсказаний. Физтехи также показали, что полное инклюзивное сечение монотонно растет с энергией в виде степенного закона, что хорошо согласуется с общей картиной роста глюонной светимости. Небольшое отклонение от этого закона при девяти гигаэлектронвольтах указывает на пороговые эффекты. Именно в этой области ожидаются наибольшие расхождения между различными теоретическими подходами, и именно здесь экспериментальные данные SPD будут наиболее ценны для различения конкурирующих моделей.
Алексей Апарин, заведующий лабораторией перспективных технологий для установок и экспериментов мегасайенс МФТИ, прокомментировал: «J/ψ — один из тех редких случаев в физике, когда одна частица позволяет одновременно проверить несколько фундаментальных предсказаний теории. Энергетический диапазон NICA уникален: в этой области рождение J/ψ-мезона определяется комбинацией нескольких процессов, что позволяет нам оценить вклад каждого из них, и здесь чувствительность к поперечному движению глюонов внутри протона максимальна, а вклад различных механизмов рождения наиболее контрастен. Наши расчеты дают детальную теоретическую карту для планирования измерений и показывают, где именно экспериментаторам следует искать самую ценную информацию о глюонной структуре протона».