Протоны, разогнанные почти до скорости света, могут сталкиваться подобно бильярдным шарам. Однако, поскольку протоны являются квантовыми частицами, из измерений таких столкновений мы можем узнать неочевидные вещи о сильном взаимодействии. Кредит: ИФЖ ПАН

Квантовая природа взаимодействий между элементарными частицами позволяет делать нетривиальные выводы даже из таких простых процессов, как упругое рассеяние. Эксперимент ATLAS на ускорителе LHC сообщает об измерении фундаментальных свойств сильных взаимодействий между протонами при сверхвысоких энергиях.

Физика столкновений бильярдных шаров преподается с младших школьных лет. В хорошем приближении эти столкновения являются упругими, когда сохраняются и импульс, и энергия. Угол рассеяния зависит от того, насколько центральным было столкновение (это часто определяется величиной прицельного параметра — расстоянием между центрами шаров в плоскости, перпендикулярной движению). В случае малого прицельного параметра, что соответствует сильно центральному столкновению, углы рассеяния велики. С увеличением прицельного параметра угол рассеяния уменьшается.

В физике элементарных частиц мы также имеем дело с упругими столкновениями, когда две частицы сталкиваются, сохраняя свою идентичность, и рассеиваются под определенным углом к их первоначальному направлению движения. Здесь мы также имеем связь между параметром столкновения и углом рассеяния. Измеряя углы рассеяния, мы получаем информацию о пространственной структуре сталкивающихся частиц и свойствах их взаимодействия.

Физики из Института ядерной физики Польской академии наук в рамках коллаборации ATLAS провели измерение упругого рассеяния в протон-протонных столкновениях на ускорителе LHC при энергии центра масс 13 ТэВ.

Из-за крайне малых углов рассеяния при таких взаимодействиях (менее тысячных долей градуса) для измерений потребовалось использование специальной измерительной системы. Его ключевым элементом был набор детекторов, расположенных на расстоянии более 200 метров от точки столкновения, но способных измерять рассеянные протоны на расстоянии всего нескольких миллиметров от пучка ускорителя.

Это стало возможным благодаря технике так называемых римских горшков, которая позволяет размещать детекторы внутри пучковой трубы ускорителя и приближать их к лучу во время набора данных. Важным вкладом краковской группы стала работа над триггером и системой сбора данных, без которых никакие данные не могут быть зарегистрированы.

Второй важной составляющей экспериментальной установки была особая конфигурация магнитных полей, формирующих пучок ускорителя LHC. В типичных измерениях цель состоит в том, чтобы максимизировать фокусировку луча, чтобы увеличить частоту интересных взаимодействий. Однако сильно сфокусированные пучки имеют большую угловую расходимость, что делает измерение упругого рассеяния практически невозможным. Специальная конфигурация магнита минимизирует это расхождение и обеспечивает точность измерений.

Прямым результатом измерения, опубликованным в European Physical Journal C, является распределение угла рассеяния, точнее — распределение переменной t, пропорциональное квадрату этого угла. По форме этого распределения были сделаны выводы о фундаментальных свойствах ядерных сильных взаимодействий между протонами при очень высоких энергиях. Процедура извлечения этой информации основана на квантовых свойствах упругого рассеяния — эффектах, не наблюдаемых в игре в бильярд.

Первым из этих свойств является так называемая оптическая теорема, являющаяся следствием сохранения вероятности в квантовых процессах. Он связывает упругие взаимодействия с неупругими (т. е. такими, при которых рождаются дополнительные частицы). Поскольку протоны в исследованных столкновениях имеют очень большую энергию, часто происходят неупругие процессы. Оптическая теорема позволяла определить значение параметра, называемого полным поперечным сечением, по измерениям только упругих взаимодействий.

Поперечное сечение — это величина, используемая в физике элементарных частиц для описания вероятности конкретной реакции. Полное сечение описывает вероятность любого типа протон-протонных столкновений и связано с размером протона. Результат, опубликованный коллаборацией ATLAS, является наиболее точным измерением этого параметра при энергии 13 ТэВ.

Высокая точность была возможна, среди прочего, благодаря точному определению положения детектора, за которое отвечала группа IFJ PAN. Полученный результат подтверждает важное свойство сильных взаимодействий — увеличение полного сечения с увеличением энергии столкновения. Это увеличение можно рассматривать как увеличение размера протона с увеличением энергии.

Точное знание полного сечения представляет интерес не только для изучения самих сильных взаимодействий, но и в других областях физики элементарных частиц. Сильные взаимодействия актуальны, например, при поиске новой физики в экспериментах на БАК, где они выступают в качестве фона, а также при исследованиях космических лучей, где они ответственны за развитие космических атмосферных ливней. Точное моделирование этих процессов возможно благодаря точным измерениям таких величин, как полное поперечное сечение.

При протон-протонных столкновениях упругое рассеяние может происходить по двум механизмам: сильному ядерному взаимодействию и кулоновскому взаимодействию, т. е. отталкиванию электрических зарядов. Вторым следствием квантовой природы изучаемого процесса является интерференция этих механизмов. Интерференция зависит от их амплитуд рассеяния.

Амплитуда рассеяния — это мера вероятности, используемая в квантовой физике. В отличие от обычной вероятности, ее значения представляют собой не вещественные, а комплексные числа. Следовательно, он описывается либо своей величиной и фазой, либо действительной и мнимой частями. Поскольку кулоновские взаимодействия хорошо изучены и их амплитуда рассеяния может быть рассчитана, путем измерения интерференции мы получаем представление как о действительной, так и о мнимой частях ядерной амплитуды.

Экспериментально измеренное значение отношения действительной части ядерной амплитуды к мнимой оказывается значительно ниже предсказаний теоретических моделей до LHC. Эти модели следуют из определенных предположений о свойствах сильных взаимодействий. Наблюдаемое несоответствие ставит под сомнение эти предположения.

Первое предположение состоит в том, что при очень высоких энергиях свойства протон-антипротонных столкновений такие же, как у протон-протонных и антипротон-антипротонных столкновений. Это связано с тем, что, хотя протоны состоят из кварков и глюонов, столкновения при высоких энергиях происходят преимущественно только между глюонами. Поскольку глюонная структура протонов и антипротонов одинакова, естественно предположить, что взаимодействия в разных системах идентичны. Допуск различия, возможного из-за квантовой природы взаимодействий, приводит к тому, что теоретические модели описывают экспериментальные данные.

Второе допущение теоретических моделей касается роста полного сечения с ростом энергии. Предполагалось, что его характер для энергий выше измеренных в настоящее время на ускорителе LHC такой же, как и наблюдаемый до сих пор. Наблюдаемое расхождение можно объяснить и замедлением этого роста при энергиях выше энергии LHC.

Обе рассматриваемые гипотезы касаются основных свойств сильного взаимодействия при высоких энергиях. Независимо от того, какой из них верен, представленные измерения проливают свет на наше понимание фундаментальных взаимодействий частиц.

В настоящее время детекторы, использованные в описываемых исследованиях, готовятся к дальнейшим измерениям упругого рассеяния при еще более высоких энергиях. Институт ядерной физики Польской академии наук также проводит исследования других процессов, в которых существенную роль играют как сильные, так и электромагнитные взаимодействия. Техника римских горшков играет решающую роль в этих исследованиях.