ATLAS wykrywa światło rozproszone na świecie • Igor Ivanov • Wiadomości naukowe na temat "Elementów" • Detektor ATLAS, zderzenia jądrowe, LHC

Wykrywanie światła przez detektor ATLAS

Ryc. 1. Narodziny dwóch fotonów o umiarkowanie wysokiej energii w detektorze ATLAS bez pomocy innych cząstek. Zdjęcie z cerncourier.com

Współpraca ATLAS, pracująca przy Wielkim Zderzaczu Hadronów, donosiła o niezawodnej rejestracji słynnego, ale trudnego do zmierzenia procesu elektrodynamiki kwantowej – rozpraszania światła od światła. Dokonano tego po przetworzeniu danych dotyczących zderzeń ciężkich jąder wysokoenergetycznych w 2015 r. Zmierzone charakterystyki procesu w obrębie błędów pokrywają się z przewidywaniami Modelu Standardowego.

Proces elastycznego zderzenia dwóch fotonów γγ → γγ, czyli "rozproszenia światła na świetle", jest jednym ze słynnych przykładów tego, jak efekty kwantowe zmieniają prawa klasycznej elektrodynamiki. W ramach konwencjonalnej optyki dwie wiązki światła przechodzące jedna przez drugą w próżni w ogóle nie wchodzą w interakcje, nie wpływają na siebie nawzajem. W kwantowej teorii pola taki efekt staje się możliwy: jeden z fotonów przez krótki czas zamienia się w wirtualną parę naładowanych cząstek, a przeciw-foton jest na niej rozproszony (ryc. 2).

Ryc. 2 Diagram Feynmana opisujący zderzenie dwóch fotonów. Zdjęcie z es.wikipedia.org

W przypadku zwykłych fotonów optycznych przekrój tego rozproszenia jest tak mały, że nie ma możliwości zarejestrowania go w laboratorium. Jednak wraz ze wzrostem energii fotonu przekrój gwałtownie rośnie i można go zobaczyć w skali kosmicznej (patrz problem Zderzenie fotonów na ten temat). W eksperymentach laboratoryjnych z cząstkami elementarnymi czasami spotyka się również rozpraszanie światła przez światło dla wysokich energii fotonów. Najbardziej znane warianty tego procesu, już zarejestrowane w eksperymencie, to wytwarzanie dwóch fotonów przez pośrednie mezony w zderzeniach elektron-pozytron, jak również rozpraszanie lub dzielenie fotonu na dwa w polu ciężkiego jądra.

I ten piękny proces został po raz pierwszy zaobserwowany w Wielkim Zderzaczu Hadronów: współpraca z ATLAS opublikowała niedawno artykuł Dowód na rozpraszanie światła za pomocą detektora ATLAS w LHC (arXiv: 1702.01625) z wynikami tej analizy. Artykuł wysłany do czasopisma Fizyka przyrody; popularna opowieść o tej pracy pojawiła się w czasopiśmie Kurier CERN.

Analiza oparta jest na danych zebranych w 2015 r. Podczas specjalnej sesji zderzeń jądrowych. Zaletą ciężkiego jądra jest to, że wokół niego powstaje silne pole elektryczne z powodu dużego ładunku elektrycznego.Dwa jądra nadlatujące mogą "ominąć znak", przelatują obok siebie bez kolizji, ale ich pola elektryczne zderzają się. Bardzo ważne jest, aby rdzenie latały z prędkością zbliżoną do światła. To, co wygląda jak zwykłe pole elektrostatyczne dla spoczynkowego rdzenia, zmienia się w pole dla szybkiego jądra. elektromagnetycznyto znaczy do strumienia prawie prawdziwych fotonów o wysokiej gęstości, które latają w pobliżu jądra. Może wydawać się zaskakujące, że ten sam system (w naszym przypadku rdzeń i jego pole) wygląda zupełnie inaczej w różnych systemach odniesienia, ale są to właściwości kwantowego mikroświata; Przeczytaj więcej na ten temat na przykładzie silnej interakcji w artykule Wielostronny proton. W rezultacie te prawie rzeczywiste fotony z dwóch nadchodzących jąder zderzają się i rozpraszają na boki – to one rejestrują czujkę (ryc. 3). Możesz dowiedzieć się więcej o procesach dwufotonowych z serii VG Serbo wykładów wideo z NSU.

Ryc. 3 Dwa nadjeżdżające jądra o wysokiej energii mogą zderzać się nie bezpośrednio, ale z własnymi polami elektromagnetycznymi, a w tym zderzeniowaniu elektromagnetycznym może powstać układ cząstek X. Rozpraszanie światła w świecie jest procesem, w którym X to dwa fotony o wysokiej energii. Obraz z omawianego artykułu

Charakterystyczną cechą tego procesu jest jego wyjątkowa czystość, brak obcych cząstek w detektorze. Na rys. Figura 1 pokazuje jedno takie kandydujące zdarzenie rozpraszania światła. Zamiast tysięcy cząsteczek, które detektor zwykle widzi w twardych jądrach, wszystko jest puste, są tylko dwa fotony z przeciwnymi pędami poprzecznymi. Dzięki temu selekcja wydarzeń odbywa się bardzo sprawnie: spośród miliardów zdarzeń zarejestrowanych przez wykrywacz ATLAS tylko 13 przeszło wszystkie etapy selekcji. Oczywiście we wszystkich wyszukiwaniach może istnieć tło z procesów zewnętrznych, ale dla tej analizy jest ono dość niskie: tylko oczekiwano 2,6 ± 0,7 zdarzeń tła z wyników symulacji. W związku z tym ATLAS widzi znaczny nadmiar danych powyżej tła i zgłasza wiarygodne wskazania rozpraszania światła w świetle w obszarze energii kilku GeV (statystyczna istotność efektu wynosi 4,4σ).

Nawet przy 13 wydarzeniach możesz przeprowadzić analizę statystyczną. W ramach współpracy ATLAS badano rozkład zdarzeń przez kąty odejścia, pęd poprzeczny i jego niezbilansowanie, przez niezmienną masę, a także zmierzono przekrój procesu: 70 ± 24 ± 17 nb (wskazano tutaj błędy statystyczne i systematyczne).Okazało się ono nieco wyższe niż przewidywania Modelu Standardowego dla tego zakresu energii i szybkości (40-60 nb), ale jest całkiem spójne z nim w granicach błędów.

Nie można powiedzieć, że oczekiwano niespodzianek z tego procesu. Interesuje tu raczej "status" – zarejestrowanie się w czystej postaci, bez "pomocy" pośrednich mezonów – rezonansów, klasyczny, ale nieuchwytny efekt, który jest stale wymieniany we wstępnych kursach fizyki kwantowej.

Źródło: Współpraca ATLAS. Detektor ATLAS w LHC // Preprint arXiv: 1702.01625 [hep-ex].

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