Исследователи смогли проникнуть в структуру атомного ядра на беспрецедентно глубокий уровень и выявили неожиданное явление: на экстремально малых масштабах глюоны функционируют иначе, чем это предполагает общепринятая физическая модель. Результаты эксперимента ALICE, проведённого на Большом адронном коллайдере, продемонстрировали, что при высоких энергиях образование частиц J/ψ подавляется с большей интенсивностью, чем теоретически предсказывалось. Эти результаты лучше всего объясняются явлением насыщения глюонов, согласно которому их концентрация не может неограниченно увеличиваться.

Глюоны являются частицами, удерживающими кварки в составе протонов и нейтронов, и отвечают за передачу сильного взаимодействия. Энергия кварков, глюонов и их взаимного влияния составляет основную долю массы протонов и нейтронов. В связи с этим научное сообщество уделяет особое внимание изучению распределения глюонов внутри ядра и их поведению в условиях экстремально высоких энергий.

Прямое наблюдение отдельного глюона невозможно, поэтому учёные применяют другие элементарные частицы в качестве инструмента исследования. В эксперименте ALICE роль такого инструмента играл J/ψ-мезон, образованный очарованным кварком и его античастицей. Вероятность образования J/ψ находится в прямой зависимости от расположения глюонов в ядре, что позволяет восстановить реальную картину внутриядерных процессов.

В ходе эксперимента использовались ядра свинца, разогнанные до скоростей, приближающихся к скорости света. Эти ядра проходили в непосредственной близости друг от друга, но не сталкивались физически. Мощное электромагнитное поле одного ядра функционирует как источник высокоэнергетических фотонов. Фотон может воздействовать на соседнее ядро и привести к образованию J/ψ.

Особое значение имеет некогерентный способ этого процесса. Он чувствителен не к структуре ядра в целом, а к локальным колебаниям в распределении глюонного поля. Благодаря этому подходу исследователи получили возможность изучать области меньшие по размеру, чем сам протон.

Глубину исследования регулировали путём изменения переданного импульса. При увеличении импульса область наблюдения становится более локализованной. ALICE достиг разрешения примерно 0,6, 0,3 и 0,2 фемтометра. Фемтометр равен 10⁻¹⁵ метра, при этом минимальное разрешение в исследовании составило приблизительно 25% от размера протона.

Одновременно учёные варьировали энергию фотонного воздействия на ядро в широком диапазоне от 20 до 633 ГэВ. Это позволило впервые одновременно проанализировать две зависимости: изменение выхода J/ψ в зависимости от энергии и изменение картины при переходе к наблюдению всё более мельчайших структур внутри ядра.

На наименьших масштабах была зарегистрирована ключевая находка. В диапазоне, позволяющем наблюдать структуры субпротонного размера, образование J/ψ увеличивалось с ростом энергии существенно медленнее, чем это предсказывала теория. Статистическая надёжность этого подавления составила примерно три стандартных отклонения.

Прежде аналогичные эффекты обычно объясняли механизмом ядерной экранировки. В тяжёлом ядре глюонное распределение отличается от простого суммирования вкладов отдельных протонов и нейтронов, в результате чего определённые процессы происходят с меньшей вероятностью. Эта модель хорошо описывала результаты более ранних экспериментов, однако новые данные ALICE на наименьших масштабах не укладываются в её рамки полностью.

Явление насыщения глюонов предлагает альтернативное объяснение. При увеличении энергии происходит интенсивное размножение глюонов, однако на определённом этапе их скопление в ограниченном объёме становится столь значительным, что усиливается их взаимное воздействие. Образование новых глюонов начинает всё чаще конкурировать с их объединением, вследствие чего скорость роста их плотности уменьшается.

Именно такое поведение обнаружил ALICE на масштабе приблизительно 0,2 фемтометра. Теоретические модели насыщения лучше описывают зависимость от энергии в сравнении с объяснением, основанным исключительно на ядерной экранировке.

Данное исследование не даёт окончательного подтверждения существованию насыщения глюонов. На текущий момент статистическая значимость результата недостаточна для столь категоричного утверждения. Вместе с тем эксперимент показал, что две конкурирующие теоретические модели теперь возможно различить на основе экспериментальных данных, а последующие исследования на Большом адронном коллайдере смогут проверить, действительно ли плотное глюонное поле обладает максимальным пределом роста.