Неожиданные результаты с большого адронного коллайдера

21 сентября участники коллаборации CMS (один из экспериментов на LHC) объявили об обнаружении эффекта, не предсказанного модельными расчетами, — корреляции в движении вторичных частиц, рожденных в протон-протонных столкновениях. Похожий эффект уже наблюдался в ионных столкновениях и косвенно свидетельствовал в пользу "неуловимой" кварк-глюонной плазмы. О чем говорит это явление в данном случае, рассказывают научные сотрудники ФИАН, непосредственно участвующие в экспериментах на LHC, Владимир Тихомиров и Игорь Дремин.

Работа детектора CMS (Compact Muon Solenoid — компактный мюонный соленоид) — одного из двух больших универсальных детекторов элементарных частиц на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе — нацелена на регистрацию протон-протонных столкновений. Именно эти столкновения осуществляются сейчас на LHC: два относительно разреженных пучка протонов, каждый из которых разогнан до энергии 3,5 ТэВ (3.5*1012 эВ), налетают друг на друга, и некоторые из протонов при этом сталкиваются. И так как протоны хоть и элементарные частицы, но все же имеющие определенный размер, то при столкновении они могут как слегка задевать друг друга (столкновения по касательной), так и сталкиваться "всей массой" (центральные столкновения). Центральные столкновения более энергичные, поэтому представляют больший интерес для исследователей.

Каждый из протонов состоит из 3 кварков (благодаря этому составу протоны относятся к группе барионов) и "склеивающих" их между собой гипотетических частиц — глюонов. В результате столкновений на LHC взаимодействуют не сами протоны, а составляющие их кварки, и в результате рождаются вторичные частицы, большинство из которых барионы и мезоны (частицы, состоящие из двух кварков — кварка и антикварка).

"Здесь интересны случаи, — говорит старший научный сотрудник ФИАН, кандидат физ.-мат. наук Владимир Тихомиров, — когда множественность вторичных частиц достаточно велика, что свидетельствует в пользу центральности столкновения. Каждая из этих частиц вылетает из точки соударения протонов под определенным углом, — для описания его в пространстве используют проекции вдоль оси столкновения (полярный угол или псевдобыстрота) и перпендикулярно оси столкновения (азимутальный угол). Перебрав в этом множестве все возможные пары частиц, вычислив для каждой пары разности каждого из углов и построив гистограмму зависимости этих разностей от числа событий, участники коллаборации CMS обнаружили, что пар с относительно малыми разностями азимутального угла и большими разностями псевдобыстрот наблюдается больше ожидаемого".

При анализе центральных столкновений элементарных частиц наибольший интерес представляли вторичные частицы, у которых поперечный импульс (по отношению к оси пучка) достаточно большой — больше среднего.

"Как оказалось, величина наблюдаемого эффекта помимо множественности вторичных частиц также зависит от поперечных импульсов каждой из частиц, входящих в рассматриваемую пару. Это проявляется в том, что распределение при больших значениях поперечного импульса демонстрирует выявленные корреляции гораздо нагляднее. А мы знаем, что поперечный импульс в гораздо большей степени, чем продольный, который параллелен направлению движения протонов, характеризует те физические процессы, в результате которых родилась частица, так как в меньшей степени зависит от начальных условий", — поясняет Владимир Тихомиров.

Тем временем, модельные расчеты наблюдаемых особенностей в распределении по псевдобыстроте не предсказывали. Однако и приписывать явлению тотальную новизну нельзя — нечто похожее уже наблюдалось, правда, не в протонных соударениях, а в ионных — два года назад на ускорителе RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider — релятивистский тяжело-ионный коллайдер) в Брукхевенской национальной лаборатории.

Главный научный сотрудник ФИАН доктор физико-математических наук Игорь Дремин — участник коллаборации CMS и один из авторов оригинальной статьи. Он комментирует: "Настоящего объяснения эффекта еще нет, хотя разные гипотезы высказываются. Интересно, что плотности частиц на LHC при 7 ТэВ для протон-протонных соударений оказались практически такими же, как на RHIC при 200 ГэВ для ядер, превысив теоретические предсказания в полтора раза. При этом размер области взаимодействия при больших множественностях тоже заметно вырос, приблизившись к его значениям для ядер. По-видимому, этот эффект носит пороговый характер, то есть начинается при высоких плотностях энергии и больших размерах области взаимодействия. В совокупности, это может указывать на то, что как и в случае столкновения ионов, в протонных столкновениях при достаточно высоких энергиях также может образовываться кварк-глюонная среда, вполне возможно, что плазма. Нужно сказать, что теоретики в своем большинстве к такой возможности относились весьма скептически".

Известно несколько возможных признаков появления кварк-глюонной плазмы, один из которых — наличие коллективных эффектов в разлете вторичных частиц, который и наблюдался в CMS. Но для того, чтобы доказать наличие этой "неуловимой" среды, нужен набор статистических данных.

Следует отметить, что первые указания на корреляции частиц с малым отличием в азимутальных углах и большой протяженностью по полярным углам (псевдобыстроте) были получены еще раньше — более 25 лет тому назад — в космических лучах в экспериментах ФИАН на Памире (видимо, в соударениях протонов с ядрами воздуха), как раз при энергиях, соответствующих энергиям LHC. Тогда такие события получили название веерных событий (fan-shaped), а само явление — выстроенности (alignment) — из-за похожести на узкий горный хребет, протянувшийся через всю плоскость, перпендикулярную оси столкновений, и проходящий через точку ее пересечения с этой плоскостью (см. обзор S.A. Slavatinsky, Nucl. Phys. B Suppl. 122 (2003) 3:).