Слепой анализ не нашел следов хирального магнитного эффекта

Коллаборация STAR, работающая на коллайдере RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории, завершила трехлетний слепой анализ данных о столкновениях ионов рутения и циркония, целью которого была количественная характеризация хирального магнитного эффекта. В результате обработки, проведенной пятью независимыми группами, физики не нашли свидетельств роста зарядовой асимметрии с увеличением числа протонов в сталкивающихся ядрах. Исследование направлено для публикации в журнал Physical Review C, препринт доступен на arXiv.org.

Симметрии играют важную роль в фундаментальной физике. Ученые анализируют симметрии, которыми обладают элементарные взаимодействия и сравнивают их с результатами экспериментов и наблюдений. Так, например, мы пока не можем объяснить асимметрию материи и антиматерии во Вселенной: для этого нам необходимо найти достаточное количество нарушений CP-симметрии (то симметрии к замене зарядов на противоположные и отзеркаливанию) в поведении элементарных частиц, но пока этого не произошло.

На сегодняшний день мы знаем, что небольшое количество ее нарушений происходит при некоторых слабых распадах. Тем не менее у теоретиков есть основания полагать, что локальные нарушения CP-симметрии можно будет увидеть при столкновении тяжелых ионов. В этом случае должна наблюдаться асимметрия между кварками с разной хиральностью, которую можно обнаружить с помощью достаточно сильных магнитных полей. Такие поля могли бы создаваться протонами в ядрах в случае их нецентрального столкновения. Согласно расчетам, магнитное поле приведет к небольшому, но детектируемому разделению зарядов, которое было названо хиральным магнитным эффектом.

Поиск этого эффекта в столкновениях тяжелых ионов стал одной из задач, решаемых с помощью коллайдера RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории. В 2013 году физики обнаружили на нем асимметрию в столкновениях ядер золота, которая качественно могла бы свидетельствовать о существовании хирального магнитного эффекта. Похожая асимметрия была найдена и на Большом адронном коллайдере. Однако для окончательного подтверждения этого эффекта экспериментам не хватало точности сигнала из-за большого значения фона.

Чтобы справиться с этой трудностью, команда ученых, работающих с детектором STAR на коллайдере RHIC, решила скомбинировать данные о столкновения ядер 44Ru вместе с данными о столкновении ядер 40Zr при энергии 200 гигаэлектронвольт. Дело в том, что оба выбранных изотопа — изобары, то есть ядра с одинаковым массовым числом (в данном случае 96). Предполагается, что величина фона пропорциональна массовому числу, в то время как сигнал хирального магнитного эффекта — числу протонов. Таким образом, наблюдая разницу сигналов от столкновений изобар, можно существенно повысить соотношение сигнал/фон.

Серия таких столкновений была проведена в 2018 году. Для физиков было важно собрать данные о продуктах столкновений разных изобар с минимальной разницей во времени без снижения скорости их сбора. В результате физикам и инженерам удалось добиться быстрого переключения между разными ядрами на коллайдере даже в течение одного дня. Таким образом, за три с половиной недели ученые собрали данные о более чем миллиарде событий.

Оценки, сделанные до начала эксперимента, показали, что для достижения статистической значимости эффекта, равной пяти стандартным отклонениям, относительная точность сигнала должна быть не менее половины процента. Чтобы избежать систематических ошибок, руководство проекта решило применить слепой анализ для обработки данных о столкновениях. Для этого было сформировано пять независимых групп, обрабатывающих данные в перемешанном порядке без информации о деталях каждого столкновения, в то время как за координацию слепого анализа отвечал отдельный комитет. Такой подход позволил минимизировать ошибки, связанные с интерпретацией данных и их искажением при обработке.

По результатам трех лет обработки команда сделала вывод об отсутствии доказательств того, что магнитное поле ядер рутения разделяет заряды сильнее, чем магнитное поле ядер циркония несмотря на то, что учеными была достигнута точность, равная 0,4 процентам. Они предполагают, что на таких точностях в силу вступают другие факторы, связанные с разницей между ядрами. В частности, на результат могла повлиять различная форма сталкивающихся ионов или распределение нуклонов внутри них.

Несмотря на отрицательный результат, собранные данные несут важную информацию о процессах, происходящих в нецентральных столкновениях. Кроме того, они позволят скорректировать последующие поиски хирального магнитного эффекта. В частности, эффект может стать сильнее, если магнитное поле протонов будет существовать дольше, чем в столкновениях, которые исследовали авторы. Этого можно достичь, понизив кинетическую энергию ионов.

Коллаборация STAR регулярно открывает новые фундаментальные эффекты. Недавно мы рассказывали, как они измерили асимметрию между вкладами морских антикварков в спин протона и впервые увидели рождение электрон-позитронной пары в столкновении двух реальных фотонов.

Читайте также

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.