Detektor CMS zarejestrował korelacje kwantowe mezonów pi • Igor Ivanov • Wiadomości naukowe na temat "Elementów" • LHC, detektor CMS, właściwości Hadrona, fizyka

Detektor CMS zarejestrował kwantowe korelacje mezonów pi

Ryc. 1. Schemat wytwarzania wielu cząstek w zderzeniach dwóch protonów o wysokiej energii. Jeśli nie było korelacji kwantowych, cząstki jednego rodzaju (pokazano czerwone strzałki) leciał pod arbitralnym, niepowiązanym kątem (najlepsze zdjęcie). W rzeczywistości, dzięki korelacji Bosego-Einsteina, cząstki jednego rodzaju bozonów wolą latać w bliskich kierunkach (dolny obraz). Szare strzałki przedstawiono cząstki wszystkich innych odmian. Siła korelacji na tych liczbach jest przerysowana dla jasności. (Ryc. I. Ivanova.)

Identyczne cząstki elementarne powstałe w zderzeniach wysokoenergetycznych pomagają sobie nawzajem lub uniemożliwiają im latanie w tych samych kierunkach, w zależności od tego, czy są bozonami, czy fermionami. Ten efekt kwantowy w zachowaniu mezonów pi mierzy się teraz w LHC.

We wczesnych etapach Wielkiego Zderzacza Hadronów zderzenia protonów występują bardzo rzadko. Podczas gdy zgromadzone statystyki są zbyt małe do szczegółowego badania znanych lub odkrycia nowych cząstek elementarnych, fizycy badają głównie ogólną charakterystykę narodzin wielu cząstek w zderzeniach proton-proton – ile cząstekurodzone, ponieważ są one rozproszone w prędkości, ponieważ są ze sobą skorelowane.

Jedną z pozycji na tej liście pomiarów jest obserwacja. Korelacje Bosego-Einsteina między mezony pi wychodzące z kolizji w przybliżeniu w tym samym kierunku. Z reguły w zderzeniu proton-proton przy wysokich energiach powstaje kilkadziesiąt hadronów, które rozpraszają się w różnych kierunkach (przeważnie są najlżejszymi hadronami – dodatnimi, ujemnymi i neutralnymi mezonami pi). Ich narodziny występują prawie niezależnie od siebie podczas hadronizacji super-gorącej "bańki" kwarkowo-gluonowej, która powstała w miejscu zderzenia protonów. W rezultacie urodzone cząstki mogą latać pod różnymi kątami iz różnymi impulsami.

Jednak ten obraz nieco się zmieni, biorąc pod uwagę fakt, że mezony pio są bozonami. Ta właściwość kwantowa oznacza, że ​​mezony pi "lubią" być bliżej siebie. Ze względu na tę właściwość okazuje się, że dwa (lub więcej) mezonów pi tego samego ładunku latają w przybliżeniu w tym samym kierunku iz mniej więcej tymi samymi impulsami częściej niż z ich całkowicie niezależnym urodzeniem (patrz Fig. 1).Podkreślamy, że efekt ten działa tylko w przypadku identycznych cząsteczek; nie obserwuje się amplifikacji mezonów pi o różnych ładunkach lub dla różnych cząstek tego samego ładunku. Ten efekt jest bezpośrednią weryfikacją faktu, że mezony P są bozonami.

Nawiasem mówiąc, lasery działają również dzięki temu efektowi, chociaż są wielokrotnie wzmacniane wewnątrz rezonatora. Fotony są również bozonami i jeśli atom materii jest "gotowy" do emisji swojego fotonu, najprawdopodobniej zrobi to w kierunku, w którym wiele fotonów już lata.

Opisany powyżej efekt został po raz pierwszy zarejestrowany ponad 50 lat temu i od tego czasu był wielokrotnie testowany w różnych zderzaczach. Jego rejestracja w LHC również jest interesująca. Wielkość takich korelacji kwantowych powinna być różna w zależności od energii zderzenia i liczby wytworzonych cząstek, więc jej pomiar będzie przydatny do udoskonalenia teoretycznych modeli produkcji wielocząstkowej.

Na drugi dzień w archiwum elektronicznych preprintów pojawił się artykuł ze współpracy CMS, który informuje o pierwszym pomiarze tych korelacji w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Statystyki tej analizy zebrano w grudniu 2009 r. – w analizie wykorzystano 270 tys. Wydarzeń o energii 0,9 TeV i 13 tys.zdarzenia o energii 2,36 TeV, które zostały wstępnie wybrane.

Należy zauważyć, że tak jak w przypadku każdego innego pomiaru w fizyce cząstek elementarnych, należy zachować ostrożność podczas analizy tych danych. Każdy instrument, w tym detektor, wprowadza własne zniekształcenia i ma własne błędy. Jednak dzięki wczesnym sesjom pracy fizyki we wszystkich zespołach instrumentalne charakterystyki ich detektorów są już dobrze zrozumiane.

Ponadto w tym wymiarze konieczne było wyraźne usunięcie dwóch efektów fizycznych, które mogłyby zniekształcić prawidłową interpretację danych. Pierwszym efektem jest elektryczne odpychanie podobnych ładunków, które są doświadczane przez dwa identyczne mezony pi, odchodzące w przybliżeniu w tym samym kierunku. Efekt ten prowadzi do widocznego zamazania rozkładu nad względnymi pędami, który nie jest powiązany z korelacjami Bosego-Einsteina. Na szczęście efekt ten można łatwo obliczyć i można go "odjąć" od danych.

Drugi efekt dotyczy emisji mezonów pio z przeciwnymi ładunkami (proces ten służy jako "standard" nieskorelowanego porodu).Takie pary mogą powstawać nie tylko niezależnie, ale także w wyniku rozpadu jakiejś innej cząstki, na przykład mezonu ro. W takim przypadku mezony pi innego znaku będą automatycznie zbliżały się do siebie, chociaż nie ma między nimi korelacji Bosego-Einsteina. Jednak taki mechanizm działa tylko w wąskim "oknie" względnych impulsów między cząstkami, a zatem, w celu wyeliminowania tego niepożądanego efektu, wystarczy nie uwzględniać w analizie "niebezpiecznych" rejonów impulsowych.

Ryc. 2 Wzmocnienie częstotliwości emisji par mezonów pi w porównaniu z nieskorelowanym przypadkiem, w zależności od wartości Q, która charakteryzuje względny pęd pary. Ryc. z omawianego artykułu o współpracy CMS

Po uwzględnieniu wszystkich tych efektów i błędów okazało się, że gdy względny pęd pary mezonów pi osiągnie mniej niż 100 MeV, częstotliwość emisji mezonów pi tego samego ładunku wzrasta o około 50-70% w porównaniu z nieskorelowaną emisją (patrz fig. 2). Parametry tego wzmocnienia zmierzono dla różnych energii i dla różnej liczby wytworzonych cząstek. Wyniki te (wraz z przyszłymi wynikami przy całkowitej energii 7 TeV) dadzą teoretykom nowe informacje o tym, jak masowa produkcja cząstek odbywa się w procesie hadronizacji przy wcześniej niedostępnych energiach.

Źródła:
1) Współpraca CMS.Pomiar poprawek Bosego-Einsteina z pierwszymi danymi CMS // preprint arXiv: 1005.3294 [hep-ex].
2) A. Gideon. Interferometria Bosego-Einsteina i Fermiego z Dirachem w fizyce cząstek Rep. Prog. Phys. 66, 481 (2003) – artykuł przeglądowy dotyczący korelacji identycznych cząstek w eksperymentach z akceleratorem. Pełny tekst jest dostępny bezpłatnie w archiwum e-wydruków.

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: :???: :?: :!: