В коллаборации ALICE (LHC, CERN) были исследованы процессы рождения векторных мезонов в ультрапериферических столкновениях ядер. Активное участие в данных работах принимает группа ученых ЛФВЭ ОИЯИ. В сентябре текущего года на конференции QuarkMatter 2023 (Houston, USA) были представлены предварительные результаты измерения возбужденных состояний ρ⁰-мезона. В данное время публикация “Exclusive four pion photoproduction in ultra-peripheral Pb–Pb collisions” проходит рецензирование в рамках коллаборации.

В ультрапериферических столкновениях ядер прицельный параметр сталкивающихся ядер больше суммы их радиусов, то есть сильные взаимодействия нуклонов отсутствуют, а регистрируемые экспериментальной установкой частицы являются результатом взаимодействия фотонов с ядрами. Высокая интенсивность потоков фотонов, пропорциональная квадрату заряда ядра, обеспечивает большие сечения и когерентного фоторождения мезонов на ядре как целом, и некогерентного рассеяния фотона на нуклоне ядра. Взаимодействие фотон — ядро с рождением векторного мезона в конечном состоянии можно представить как процесс виртуальной флуктуации фотона в связанное кварк-антикварковое состояние (векторный мезон, поскольку спин фотона равен единице) с последующим упругим рассеянием мезона на ядре посредством обмена помероном.

Первые результаты изучения ультрапериферических взаимодействий тяжелых ионов были получены коллаборацией STAR (BNL) на коллайдере RHIC. С началом работы LHC такого рода исследования проводятся и в CERN при большей энергии и светимости коллайдера. «Все основные коллаборации LHC ведут исследования ультрапериферических взаимодействий по фоторождению векторных мезонов и рождению мюонных пар в двухфотонных реакциях. При этом изучение фоторождения легких мезонов возможно лишь на установке ALICE вследствие отсутствия критичных экспериментальных ограничений на исследования процессов так называемой «мягкой» физики. Простая (всего лишь две частицы от дилептонных распадов J/ψ или двухпионных распадов ρ) и ясная (с точки зрения топологии) сигнатура событий фоторождения является в то же время проблемной для триггирования таких событий на установках, спроектированных для регистрации «жестких» событий», — рассказал один из участников группы ОИЯИ в ALICE, ведущий научный сотрудник Научно-экспериментального отдела физики тяжелых ионов на LHC ЛФВЭ ОИЯИ Валерий Поздняков. Он также отметил, что исследования фоторождения векторных мезонов возможно проводить и в запланированном эксперименте MPD (NICA).

Далее приведено краткое описание результатов анализа экспериментальных данных установки ALICE, полученных при непосредственном и активном участии сотрудников ОИЯИ.

Слева: фит распределения инвариантной массы пары пионов; справа: сечение фоторождения ρ⁰ в Pb–Pb ультрапериферических столкновениях и соответствующие теоретические вычисления

Процессы фоторождения легких векторных мезонов представляют интерес с точки зрения возможного проявления так называемого black-disk предела квантовой хромодинамики. Предшествующие измерения выявили недостаточность применения только подхода Gribov-Glauber, а привлечение экранировки глюонов в ядре привело к согласию вычислений с экспериментальными данными. В эксперименте ALICE были впервые измерены сечения когерентного рождения ρ⁰-мезонов в ультрапериферических Pb–Pb взаимодействиях при √s_NN=5.02 TeV и проведено сравнение с моделями, основанными на различных подходах в вычислениях. Наилучшее согласие получено с расчетами, основанными на модифицированной модели векторной доминантности – векторный мезон взаимодействует с ядром в соответствии с моделью Gribov-Glauber с учетом эффекта ядерного экранирования. Не менее важным в данной работе является то, что впервые измерения проведены для различных классов событий, разделенных по признаку наличия электромагнитной диссоциации ядер, сопровождающей рождение мезонов. Расширением измерений, описанных выше, было проведено первое измерение сечения когерентного рождения ρ⁰-мезонов в ультрапериферических Xe–Xe взаимодействиях, что позволило измерить сечение фоторождения ρ⁰-мезонов как функцию атомного номера ядра и коэффициент степенной А–зависимости был измерен близким к единице.

Процесс когерентного фоторождения J/ψ на ядре является подходящим инструментом для изучения эффектов затенения (экранирования) глюонов в ядрах, поскольку ожидается, что сечение процесса пропорционально квадрату функции распределения глюонов в ядре. С использованием большой статистики, полученной в течение сеансов 2015–2018 годов, данное сечение было измерено в ультрапериферических Pb-Pb столкновениях при √s_NN=5.02 TeV. Наилучшее соответствие экспериментальных данных теоретическим моделям было достигнуто в моделях с умеренной степенью затенения глюонов в ядре. Вычисления, проведенные без учета экранирования глюонов, равно как и модели с сильным экранированием, совершенно расходятся с данными.

Слева: фит спектра массы ди-мюнов; справа: измеренное сечение когерентного фоторождения J/ ψ и теоретические вычисления

Анализ ультрапериферических взаимодействий ядер в эксперименте ALICE продолжается. «Начиная с периода RUN3 на LHC, который продолжается в течение 2022–2025 годов, модель набора и анализа экспериментальных данных установки ALICE кардинально перестроена – для записи экспериментальных данных более не используется триггер и данные записываются в режиме «continuous readout». В результате нивелируется влияние одного из факторов, определяющих точность проводимых измерений на основе событий малой множественности и относительно мягких энергий – эффективности триггирования, что ранее было определяющим в эксперименте и приводило к усложнению анализа данных и увеличению экспериментальных неопределенностей», — пояснил Валерий Поздняков. Кроме того, анализ данных проводится на основе программной платформы Apache Arrow, что позволяет увеличить скорость обработки данных и упростить написание кодов.

По результатам проведенных исследований авторский коллектив в составе: Валерий Поздняков (ЛФВЭ ОИЯИ), Юлия Вертоградова (ЛЯП и ЛФВЭ ОИЯИ), Борис Румянцев (ЛФВЭ ОИЯИ), Евгений Крышень (ПИЯФ НИЦ КИ), Гиллермо Контрерас Нуно и Давид Хорак (Чешский технический университет в Праге) получил поощрительную Премию ОИЯИ за 2022 год за цикл работ «Изучение процессов фоторождения векторных мезонов в эксперименте ALICE (CERN)». Результаты опубликованы в четырех работах коллаборации ALICE и представлены в докладах на одиннадцати наиболее значимых физических конференциях (ICHEP, EPS, Moriond и QuarkMatter).

Публикации цикла:

1. ALICE Collab., “Coherent J/ψ photoproduction at forward rapidity in ultra-peripheral Pb–Pb collisions at √sNN=5.02 TeV”, Phys. Lett. B 798 (2019) 134926;
2. ALICE Collab., “Coherent photoproduction of ρ0 vector mesons in ultra-peripheral Pb–Pb collisions at √sNN=5.02 TeV”, JHEP 06 (2020) 035;
3. ALICE Collab., “First measurement of coherent ρ0 photoproduction in ultra-peripheral Xe–Xe collisions at √sNN=5.44 TeV”, Phys. Lett. B 820 (2021) 136481;
4. ALICE Collab., “Photoproduction of low-pT J/ψ from peripheral to central Pb–Pb collisions at √sNN=5.02 TeV”, CERN-EP-2022-071, submitted to Phys. Lett.