Столкновения протонов на высоких энергиях, подобные тем, что происходят на Большом адронном коллайдере (БАК), можно представить как кипящий океан из кварков и глюонов. На первый взгляд, эта экстремальная среда кажется гораздо более сложной и хаотичной, чем последующая стадия, когда из точки столкновения разлетаются более стабильные частицы. Интуитивно можно было бы предположить, что уровень беспорядка в системе, измеряемый физиками с помощью понятия энтропии, должен меняться. Однако новые данные показывают, что эта интуиция обманчива, а результаты лучше объясняются усовершенствованной моделью, которая точно описывает, как на самом деле разворачиваются протонные столкновения.
Когда два протона сталкиваются на огромных скоростях, за одно мгновение происходит множество событий. Протоны состоят из более мелких частиц – партонов, к которым относятся кварки и удерживающие их вместе глюоны. Во время столкновения все эти частицы, включая виртуальные, появляющиеся лишь на короткое время, сложно взаимодействуют. По мере остывания системы кварки объединяются в новые частицы, называемые адронами, которые разлетаются и фиксируются детекторами. Новые исследования, опубликованные в журнале Physical Review D профессором Кшиштофом Кутаком и доктором Шандором Локошем из Института ядерной физики Польской академии наук в Кракове, подтверждают, что энтропия системы не меняется – хаос на начальной стадии кварк-глюонной «каши» равен хаосу на финальной стадии разлетающихся адронов.
Для описания эволюции плотных систем глюонов в физике высоких энергий долгое время использовались так называемые дипольные модели. «Эти модели предполагают, что каждый глюон можно представить как пару кварк-антикварк, образующую диполь двух цветов – здесь речь идет не об обычных цветах, а о цветовом заряде, который является квантовым свойством глюонов», – объясняет профессор Кутак. Два года назад он совместно с коллегами представил обновленную версию дипольной модели, добавив в нее эффекты, которые становятся важными при более низких энергиях столкновений. Для проверки этой обобщенной модели ученые сравнили ее с реальными экспериментальными данными, полученными на БАК в экспериментах ALICE, ATLAS, CMS и LHCb в широчайшем диапазоне энергий – от 0,2 до 13 тераэлектронвольт.
Результаты анализа показали, что обобщенная дипольная модель описывает существующие данные точнее, чем предыдущие, и работает в более широком диапазоне энергий протонных столкновений. Самое главное, она подтверждает, что энтропия на разных фазах процесса остается неизменной. Этот результат удивил некоторых физиков, но другие видят в нем естественное следствие одного из самых фундаментальных принципов квантовой механики – унитарности. Унитарность, говоря простым языком, означает, что информация и вероятность в квантовой системе не могут исчезнуть или появиться из ниоткуда. Уравнения, описывающие эволюцию системы, должны сохранять полную вероятность и быть обратимыми во времени.
«Теория, описывающая мир кварков и глюонов, основана на унитарности. Однако одно дело – ежедневно работать с теорией, обладающей определенной особенностью на уровне кварков и глюонов, и совсем другое – наблюдать ее в реальных данных о рожденных адронах», – отмечает профессор Кутак. Подтверждение этого принципа в эксперименте позволяет извлекать информацию об энтропии партонов в широком диапазоне энергий. Дальнейшие испытания модели ожидаются в ближайшие годы после модернизации детектора ALICE на БАК, а также на строящемся в США Электрон-ионном коллайдере (EIC), где столкновения электронов с протонами позволят еще точнее исследовать плотные глюонные системы.
