Зависимость сечения упругого рассеяния протонов от величины t — квадрата переданного импульса. Изображение из обсуждаемой статьи
Коллаборация TOTEM, работающая на одноименном детекторе Большого адронного коллайдера, выложила на днях подробнейший отчет об одном из самых главных своих измерений (публикация arXiv:1610.00603). Речь идет об упругом протон-протонном рассеянии на малые углы, процессе в высшей степени необычном.
С одной стороны, он выглядит совершенно тривиальным. Упругое столкновение — это когда два протона сталкиваются и разлетаются без какого-либо изменения и без рождения новых частиц. С другой стороны, он кажется исключительно маловероятным. Действительно, каждый протон состоит из множества отдельных партонов, которые летят друг рядом с другом и, в совокупности, образуют протон. Кажется очевидным, что при столкновении двух протонов на очень большой энергии произойдет катастрофическая рассинхронизация этих партонных облачков, то есть родится много новых частиц. Ситуация, когда два облачка синхронно меняют направление и при этом два протона не разваливаются и даже не возбуждаются, а продолжают лететь почти вперед, лишь слегка отклонившись, — кажется неправдоподобной. Между тем, именно так протекают примерно 30% всех протонных столкновений на LHC!
Такая почти мистическая живучесть протонов в жесточайших столкновениях — это результат их волновых свойств. Это эффект сродни оптической дифракции, но только здесь дифракция не света на предмете, а самих протонов друг на друге. Популярный рассказ о том, что такое адронная дифракция, см. в блоге автора; примеры других исследований адронной дифракции см. в новостях LHCb изучает эффекты адронной дифракции и Коллаборация TOTEM опубликовала результаты по дифракционным процессам.
С микроскопической точки зрения дифракция, как и любой процесс рассеяния, должна описываться как обмен некоторой частицей. В случае адронной дифракции это не элементарная частица, а составной объект — померон, то есть несколько скоррелированных глюонов (рис. 2, слева). Как правильно вывести свойства померона из элементарных частиц (кварков и глюонов), как он «цепляется» к протонам — это очень сложные вопросы физики сильных взаимодействий, над которыми теоретики работают уже четыре десятилетия и вокруг которых продолжаются теоретические баталии. Адронная дифракция и, как одно из ее проявлений, упругое pp-рассеяние позволяют нам изучить теорию сильных взаимодействий в особом режиме, который больше никак и не проверишь.
Рис. 2. Два механизма упругого протон-протонного рассеяния: через сильное взаимодействие, обмен помероном (слева) и через электромагнитное взаимодействие, обмен фотоном (справа)
Упругое рассеяние может также происходить за счет обмена фотоном (рис. 2, справа). Эти два процесса различаются по величине и по угловой зависимости. Адронная дифракция заметна при малых углах рассеяния (порядка угловой минуты и меньше) и имеет плавную экспоненциальную зависимость. Фотонный обмен можно увидеть только при экстремально малых углах, порядка угловой секунды, и он имеет вид резко взмывающего пика. Область углов, где доминирование переходит от одного процесса к другому, очень важна: там происходит интерференция двух механизмов. Она позволяет увидеть еще более тонкие свойства померона — так называемый ρ-параметр, отношение вещественной и мнимой частей амплитуды. Есть много моделей померона, которые предсказывают разный ρ-параметр, но проверить их иначе, чем через эту интерференцию, нельзя.
После этого длинного введения в тему сразу сообщим главный результат. Коллаборация TOTEM наконец-то достигла области интерференции померонного и фотонного обмена и смогла напрямую измерить ρ-параметр. Такие измерения раньше существовали только для низких энергий; TOTEM впервые выполнил его для энергий LHC. Это удалось сделать благодаря тому, что, во-первых, коллайдер иногда проводит короткие сеансы с расфокусированными пучками, а во-вторых, детектор TOTEM способен регистрировать протоны, отклонившиеся на мизерные углы (см. по этому поводу задачу Форвард-детектор на LHC).
На рис. 1 показано распределение числа событий по величине t — квадрату переданного при столкновении импульса. Видно, что почти во всем диапазоне зависимость имеет плавную экспоненциальную форму (проявление дифракции) и только в самой близости к нулю взмывает вверх. Именно там включается фотонный обмен и происходит интерференция между двумя диаграммами. Это первое наблюдение этого явления на LHC.
На рис. 3 показано измеренное коллаборацией TOTEM значение ρ-параметра (0,12 ± 0,03) вместе с данными низкоэнергетических экспериментов. В целом оно вписывается в общепринятую картину. За этим числом скрывается, конечно, кропотливая работа по обработке данных и сравнению с теоретическими расчетами; эти подробности приведены в статье, но мы их опустим.
Рис. 3. Значение ρ-параметра в зависимости от энергии столкновений. Синие точки — низкоэнергетические эксперименты, зеленые — результаты Тэватрона, красный пустой кружок — более раннее косвенное измерение TOTEM, красный сплошной кружок — первое прямое изменение. Изображение из обсуждаемой статьи
В дальнейшем коллаборация планирует вторгнуться в область еще более малых углов рассеяния. Это стало возможным благодаря тому, что уже в этом году прошел короткий сеанс работы коллайдера с экстремально параллельными пучками (параметр beta* составил 2500 метров против 1000 м для обсуждаемой работы). Ожидается, что аккуратное измерение профиля кривой на рис. 1 позволит начать уверенно различать разные предсказания для моделей померона.
