Физики предсказали рождение J/ψ-мезона на будущем коллайдере NICA

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: первый пучок успешно введен в коллайдерное кольцо в 2026 году. Детектор SPD, для которого выполнены теоретические расчеты авторов работы, предназначен для изучения протон-протонных и дейтрон-протонных столкновений при энергиях до 27 ГэВ в системе центра масс / © ОИЯИ / NICA press photo, 2026

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.

Кварковая структура J/ψ-мезона: очарованный кварк c и антикварк c̄, удерживаемые глюонным обменом. Это компактное квантовое состояние рождается в протон-протонных столкновениях в основном через слияние двух глюонов и служит тонким зондом глюонного содержимого протона / © Harp, Wikipedia / Quark structure of charmonium J/ψ

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.

Столкновение протонов в детекторе LHC: разлетающиеся треки частиц регистрируются многослойными детекторными системами. На NICA подобные события будут анализироваться при меньших энергиях, где чувствительность к трехмерной структуре протона максимальна / © Physics World / Proton-proton collision visualization

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».