Detektor CMS wykrył nietypowe korelacje cząstkowe • Igor Ivanov • Wiadomości naukowe na temat "Elementów" • LHC, detektor CMS, właściwości Hadrona, fizyka

CMS wykrywa nietypowe korelacje cząstek

Ryc. 1. Typowy ślad, który opuszcza wydarzenie z narodzinami setek hadronów. Zdjęcie z komunikatu prasowego CERN

Wykrywacz CMS odkrył nowe zjawisko w zderzeniach protonów przy wysokiej energii – korelację cząstek emitowanych w zasadniczo różnych kierunkach. Podobny efekt zaobserwowano dwa lata temu w zderzeniach jądrowych, ale nie wiadomo jeszcze, czy te dwa zjawiska mają to samo pochodzenie.

Co jest istotą odkrycia

22 września w archiwum elektronicznych preprintów pojawił się artykuł CMS Collaboration, pracujący przy jednym z głównych detektorów Wielkiego Zderzacza Hadronów, ogłaszający odkrycie nowego zjawiska w zderzeniach protonów. Przed szczegółowym opisem, należy podkreślić, że odkrycie odkrywania jest inne. Na obecnym etapie pracy Wielkiego Zderzacza Hadronów intensywność wiązek protonów jest wciąż niewielka, a statystyki powoli rosną. Dlatego nie oczekuje się jeszcze żadnych nowych cząstek ani interakcji; będą ścigani później. Jednak jest już wystarczająco dużo danych, aby szczegółowo zbadać zachowanie "zwykłych" cząstek, które rodzą się w LHC w obfitości.Odkąd Wielki Zderzacz Hadronów wkroczył w nowy, niezbadany region energii, nowy zjawiska dynamicznektóre po prostu nie były dostępne dla poprzednich, słabszych akceleratorów. Otwarcie CMS jest właśnie tego rodzaju i nie należy go przypisywać "niewytłumaczalnym", jak to czyniły niektóre media.

Istota odkrycia polega na tym, że cząstki powstają w zderzeniach protonów i rozpraszają się w bardzo różnych kierunkach, skorelowane – to znaczy zachowywać się w podobny sposób, a nie całkowicie niezależnie. Podobne zjawisko odkryto dwa lata temu w zderzeniach ciężkich jąder, a już zaproponowano mu teoretyczne wyjaśnienie (patrz poniżej). Jednak fakt, że zaczął pojawiać się w zderzeniach protonów, jest nieco nieoczekiwany. Oznacza to, że zderzenia protonów przy bardzo wysokich energiach są nieco podobne do zderzeń jądrowych. A ten wniosek z kolei sugeruje zderzenia hadronów w super-energiach bardziej wszechstronnymoże się wydawać na pierwszy rzut oka.

Co mówią korelacje

Korelacje – czyli systematyczne podobieństwo niektórych cech w różnych obiektach – zwykle nie są interesujące same w sobie, ale jako sposób na zobaczenie czegoś ukrytego przed naszymi oczami. Można to wytłumaczyć takim życiowym przykładem.Wyobraź sobie, że podczas studiowania bazy danych klientów zauważyłeś, że dwie różne osoby są "skorelowane z miejscem zamieszkania": nie tylko mieszkają pod tym samym adresem, ale także przemieszczają się z miejsca na miejsce jednocześnie. Obserwacja ta natychmiast doprowadzi cię do myśli o związku między tymi dwiema osobami – relacją do "oryginału" (rodzic i dziecko) lub "nabytego" (współmałżonka). W sobieokołoJednak nie może być bezpośredniego wskazania relacji z bazą danych – odgadłeś to, zauważając korelacje.

Fizycy szukają korelacji w zachowaniu cząstek elementarnych urodzonych z podobnym celem – aby zrozumieć, czy cząstki te są połączone przez coś powszechnego, czy nie. To połączenie może być albo "oryginalne" (na przykład dwie cząstki narodziły się równocześnie, gdy rozpadnie się wspólna "matka" cząstka), albo "nabyte" (cząstki rodziły się niezależnie, ale potem zsynchronizowały swój ruch poprzez interakcję ze sobą). Zarówno to, jak i inne mogą powiedzieć fizykom wiele interesujących rzeczy o tym, jak narodziny cząstek przebiegają w ogóle, a ostatecznie o tym, jak funkcjonuje nasz świat.

Ryc. 2 Kąty odlotu cząstek w cylindrycznym detektorze (po lewej: obraz w rzucie równoległym, po prawej: widok wzdłuż osi zderzenia). Kąt biegunowy θ mierzy odchylenie od osi zderzenia, kąt azymutu φ charakteryzuje kierunek na bok. Na rysunku na przykład dwie cząstki są pokazane w różnych kolorach z dużą różnicą kątów θ i małą różnicą kątów φ. Rysunek I. Ivanova

Współpraca CMS wykazała czasem, że cząstki powstałe w zderzeniach protonów skorelowane w kącie azymutu, nawet jeśli ich kąty biegunowe są bardzo różne (patrz ryc. 2 z objaśnieniami geometrycznymi). Wniosek ten został wyciągnięty na podstawie analizy statystyk zderzeń o łącznej energii 7 TeV, uzyskanej po zestawie odwrotnej picobarn całkowitej jasności 1. W typowym zderzeniu czołowym dwóch protonów z dużą energią rodzi się wiele różnych hadronów (patrz ryc. 1), które odlatują z miejsca kolizji w różnych kierunkach (szczegółowy opis znajduje się na stronie Eksperymenty w Zderzaczach Hadronów). Eksperymentatorzy brali takie zdarzenia jeden po drugim i przeglądali wszystkie pary produkowanych cząstek. Dla każdej pary obliczono różnicę między azymutalnymi kątami Δφ i między prędkościami Δη (prędkość – jest to inny sposób przedstawienia kąta biegunowego θ; patrzszczegóły na stronie "kąt prędkości"). Następnie, dla danych Δφ i Δη, na podstawie wszystkich statystyk obliczono funkcję korelacji R, która scharakteryzowała różnicę między danymi a rozkładem całkowicie losowym. Ostatecznie wartość R została skonstruowana jako trójwymiarowy wykres o różnych Δφ i Δη.

Ryc. 3 Współczynnik korelacji pary cząstek w zależności od różnicy między nimi w kącie Δφ i prędkości Δη. Po lewej: typowa "ulga" w przypadku uśrednienia wszystkich zderzeń; po prawej: "relief" w wyborze tylko kolizji o dużej liczności (urodziło się co najmniej 110 cząsteczek). Na prawym wykresie czerwona strzałka pokazano nową funkcję – małą na wysokości, ale długą "grzbiet" z Δφ = 0. Zdjęcie z omawianego artykułu

Na rys. 3 pokazuje dwa takie wykresy uzyskane przez CMS. Oba obrazy odpowiadają przypadkowi, w którym do obliczenia korelacji użyto tylko cząstek o niezbyt dużych pędach poprzecznych – od 1 do 3 GeV. Opisany efekt przejawiał się dla takich cząstek; z mniejszym lub większym impulsem, było już niewidzialne. Obraz po lewej odpowiada sytuacji, w której do przetworzenia użyto prawie wszystkich kolizji (jest to tak zwane próbkowanie z minimalnym wyborem "MinBaby"). Na tym bardzo charakterystycznym zdjęciu występują dwie standardowe "cechy reliefowe".Pierwszy to pik w pobliżu Δφ = 0 i Δη = 0, co po prostu oznacza, że ​​pobliskie cząstki są skorelowane. Drugi to słabszy "daleki grzbiet" w pobliżu Δφ = π. Reaguje na cząstki lecące w przeciwnych kierunkach; ta korelacja jest również normalną sytuacją (patrz na przykład wyjaśnienia dotyczące hadronowych dysz).

Jednak, jak odkrył CMS, jeśli nie wszystkie zdarzenia zostały wybrane do przetworzenia, ale tylko te, w których narodziło się wiele cząstek (110 i więcej), na wykresie pojawi się dodatkowy "relief relief" – rodzaj "pobliskiego grzbietu" przy Δφ = 0 w dość szerokim zakresie Δη. Na rys. 3 po prawej stronie jest oznaczona czerwoną strzałką. Ten grzbiet nie wygląda zbyt wysoko na wykresie, ale jego obecność jest statystycznie znacząca i wskazuje na obecność korelacji w kącie azymutu, nawet dla cząstek "odległych" od siebie.

Ta obserwacja jest interesująca pod tym względem, że takiej korelacji nie można "pozyskać". Urodzone cząstki rozpraszają od siebie z prędkością bliską prędkości, a przez krótki czas, gdy formułowane w kierunku ich lotu, oni po prostu nie mają czasu na wymianę informacji oraz zsynchronizowanie ich ruch. Oznacza to, że korelacja powinna być "początkowa", co jest dość niezwykłe w tej sytuacji.

Próby teoretycznego wyjaśnienia

Aby lepiej wyczuć "zapał" takiego zachowania się cząstek, warto przypomnieć, w jaki sposób cząstki powstają zwykle w zderzeniach proton-proton. To się nie dzieje od razu. Po dotknięciu się nawzajem, dwa nadchodzące protony zamieniają się w pojedynczą grudkę "wzbudzonego" pola (często nazywa się to "ognistą kulą"), w której mieszają się kwarki, antykwarki i gluony. Ta grudka, początkowo bardzo gorąca i bardzo zwarta, nadal nie składa się z pojedynczych hadronów – jest po prostu mieszaniną pól kwarkowych i gluonowych. Jednak po chwili (czy raczej kilka yoktosekund) to szybko rozszerza, chłodzi, a już rozpada się na poszczególne hadronów – bardziej lub mniej stabilny i niezależny „spada” materii kwarkowo-gluonowej.

Teoretycy badają ten proces od około pół wieku. Niestety, jest on bardzo złożony, a jego ewolucja w czasie nie może być skrupulatnie wyliczona na podstawie wstępnych równań ruchu pól kwarkowych i gluonowych. Dlatego ogromna większość modeli ma charakter czysto opisowy i opiera się na analogiach z termodynamiką i fizyką statystyczną. Takie modele mają jedną ważną prognozę: hadrony, "materializujące" się z różnych części tego gorącego skrzepu, rodzą się i odlatują. cokolwieki dlatego nieskorelowane.I tylko te cząstki, które urodziły się z jednego kawałka gorącego skrzepu mają korelację – skłonność do wylatywania w przybliżeniu w jednym kierunku. (Zauważ, że takie cząsteczki mają również dodatkowe korelacje kwantowe, o których pisaliśmy już w wiadomościach, Detektor CMS zarejestrował kwantowe korelacje mezonów pi.)

Obraz opisany powyżej zawsze wydawał się bardzo naturalny, a jego przewidywania zostały potwierdzone w poprzednich zderzaczach hadronów. Ale nie ma miejsca na korelacje dalekosiężne, które znalazła współpraca CMS. Dlatego musimy wyciągnąć jeden wniosek: modele stosowane przez pół wieku nie biorą pod uwagę żadnego nowego mechanizmu, który wchodzi w grę z bardzo dużą liczbą cząstek i który powoduje ich korelacje "początkowo", właśnie w momencie narodzin.

Jaka jest natura tego mechanizmu? Możliwe, że odpowiedź na teorię jest już znana. Faktem jest, że zjawisko znalezione w CMS nie zaskoczyło eksperymentatorów. Co więcej, był poszukiwany celowo, ponieważ bardzo podobny efekt został odkryty dwa lata temu zderzenie jąder w zderzaczu RHIC.W zderzeniach jądrowych rodzi się zbyt wiele cząsteczek, aw zderzeniach czołowych okazują się o wiele bardziej niż wtedy, gdy rdzeń nieznacznie dotyka swoich krawędzi. "Grzbiet" w danych RHIC jest widoczny przy dostatecznie centralnej kolizji. Oznacza to, że liczba cząstek (tak zwana "krotność") jest cechą kluczową. Wydaje się, że w zdarzeniach o bardzo dużej liczności – niezależnie od tego, czy są to proton-proton czy zderzenia nuklearne – występuje jakiś rodzaj ogólnego mechanizmu, który prowadzi do korelacji.

W przypadku kolizji jądrowych teoretycy proponują wyjaśnienie tego "grzbietu". Latające jądra o prędkościach zbliżonych do światła spłaszczają się znacznie w kierunku podłużnym i wyglądają bardziej jak "naleśniki" niż piłki. W pierwszym momencie po kolizji dwa pancake-core dosłownie przelatują przez siebie. Jednak kolizja nie przechodzi dla nich niezauważalnie, aw przestrzeni między nimi powstaje bardzo szczególny stan materii, który otrzymał nazwę "glazma". Nie są to jeszcze hadrony, a nawet nie ten gorący skrzek pól, o którym była mowa powyżej, jest to rodzaj stanu początkowego, z którego później powstanie bryła pól kwarków i gluonów.

Teoretyczne obliczenia pokazują, że oko ma interesującą osobliwość – pola sił gluonowych rozciągają się pomiędzy dwoma latającymi rdzeniami w postaci długich rur podłużnych (patrz ryc. 4). Każda taka rura rozciąga się w dość dużym zakresie nad kątami biegunowymi, ale ma mniej więcej ustalony kąt azymutu. Ta rura okazuje się być wydłużona po prostu dlatego, że cząstki poruszają się w tym kierunku. Kiedy w końcu rozpada się na cząstki, są one w momencie narodzin automatycznie skorelowane kąt azymutu.

Ryc. 4 Schematyczne przedstawienie dwóch ultrarelatywistycznych jąder przed i po zderzeniu. W pierwszym momencie po zderzeniu powstaje "szkliwo", a struny pola gluonowego rozciągają się pomiędzy dwoma latającymi jądrami. Rozdarte, generują cząsteczki, które są już skorelowane w kącie azymutu. Obraz z wykładu L. Maclerrana w Letniej Szkole Baikal 2010

Na pierwszy rzut oka efekt ten sugeruje wyjaśnienie "bliskiego grzbietu" w zderzeniach protonów wykrytych przez CMS. Ale, żeby się tu spieszyć, oczywiście nie warto.Protony nie są jądrami, a doświadczenie w badaniu silnych oddziaływań pokazuje, że efekty wynikające z kolizji protonów i zderzeń jąder są z reguły inne. Dlatego potrzebne są zarówno szczegółowe obliczenia teoretyczne, które potwierdziłyby, że mechanizm ten działa w zderzeniach protonów w LHC, jak i nowe dane eksperymentalne, w których nowy efekt zostanie zbadany dokładniej. Nie można wykluczyć sytuacji tak dalece, że w zderzeniach protonów efekt ten ma inne pochodzenie niż zderzenie jąder – i taki rozwój byłby oczywiście bardzo interesujący. Sami eksperymentatorzy nie wyrażają żadnych opinii na ten temat, więc należy poczekać na teoretyczne artykuły wyjaśniające korelacje.

W końcu może się zdarzyć, że po bardziej dogłębnej analizie "grzbiet" nie zniknie, ale nie będzie już wyglądać nietypowo. Chodzi o to, że wniosek, że opisany efekt jest nowy, uzyskano nie tylko z samych danych, ale z porównania danych z wynikami symulacji numerycznej Monte Carlo. W specjalnym pakiecie oprogramowania Pythia8 używanym do tego fizycy próbowali oczywiście jak najbardziej dokładnie symulować procesy produkcji wielu cząstek.Wiadomo już jednak, że program ten nie uwzględnia wszystkich cech przekształcania kwarków w hadrony i możliwe jest, że po dostosowaniu będzie on w stanie odtworzyć efekt CMS. Tutaj słowo pozostaje dla specjalistów w numerycznej symulacji kolizji.

Źródło: Współpraca CMS. Obserwacja kolizji proton-proton w LHC // Preprint arXiv: 1009.4122 [hep-ex] (21 września 2010).

Zobacz także:
Oficjalny komunikat prasowy CERN i jego tłumaczenie na język rosyjski.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: