Опубликованы первые данные по протон-ядерным столкновениям на Большом адронном коллайдере

Коллаборации CMS и ALICE, проводящие эксперименты на Большом адронном коллайдере (БАКе), опубликовали первые статьи, посвящённые протон-ядерным столкновениям.

Небольшая испытательная программа столкновений протонов с ядрами свинца, напомним, была реализована на БАКе в сентябре этого года. Завершилась она успешно, и уже в начале 2013-го должна стартовать полноценная серия таких экспериментов. Её результаты помогут интерпретировать данные по симметричным столкновениям ионов свинца, которые выполняются на БАКе с 2010 года.

Хотя статистика, набранная в сентябре, совсем невелика, кое-какие полезные наблюдения сделать всё же удалось. Сотрудники коллаборации ALICE, в частности, оценили количество заряженных частиц, рождающихся при столкновении, и их распределение по псевдобыстроте ? — величине, показывающей, насколько сильно траектория движения частицы отходит от оси пучка. Завершив эту работу, физики откалибровали теоретические модели, предсказания которых ранее плохо согласовались друг с другом.

Кроме того, учёные из ALICE построили распределение рождённых частиц по поперечному импульсу (компоненте импульса, лежащей в плоскости, которую ось пучка пересекает под прямым углом). Полученные графики подтвердили, что эффект резкого уменьшения количества образующихся адронов с большими поперечными импульсами, отмеченный при переходе от столкновений протонов к столкновениям ионов свинца, свидетельствует о появлении кварк-глюонной плазмы.

Отчёт коллаборации CMS непрофессионалу, вероятно, покажется более интересным, чем узкоспецифические статьи ALICE, так как в нём рассматривается явление, пока не имеющее чёткого теоретического объяснения. Речь идёт о необычных двухчастичных корреляциях, которые CMS обнаружила в протон-протонных столкновениях двумя годами ранее.

Корреляции, напомним, были выявлены при наблюдении за тем, как движутся продукты столкновений. Чтобы увидеть слабый корреляционный эффект, экспериментаторам пришлось отбирать события, в которых рождалось особенно много заряженных частиц, вычислять разности между псевдобыстротами и азимутальными углами ? (то есть определять величины, характеризующие расхождения траекторий в продольной и поперечной плоскостях) для всевозможных пар частиц и находить значения функции R(??, ??) = <(N – 1)•(S_N / В_N – 1)>_N. Буквой N здесь обозначено количество треков частиц, реконструированных для того или иного события, а S_N и В_N отвечают за «сигнальное» и фоновое распределения. Первое из них было составлено путём перебора пар частиц, относящихся к одному событию, а второе — путём искусственного объединения в пары частиц из разных событий.

На построенном графике R(??, ??) выделялся не только ожидаемый пик в области ?? = ?? = 0, но и протяжённый «хребет» на ?? ? 0. Такая корреляция по азимутальному углу, сохраняющаяся в довольно широком диапазоне ??, удивила теоретиков, до сих пор продолжающих спорить о причинах появления «хребта». Его возникновение пытаются объяснить модели как минимум трёх разных классов, описание которых желающие найдут в обзоре, недавно вышедшем в Modern Physics Letters A.



Поскольку аналогичный «хребет» уже регистрировался в ядро-ядерных столкновениях, где его образование, в отличие от протон-протонного случая, получает логичное и признанное всеми объяснение, физики ожидали увидеть корреляции по азимутальному углу и в протон-ядерных столкновениях. Предположения блестяще подтвердились: хотя на графике корреляционной функции, приведённом в новом отчёте CMS, «хребет» заметить гораздо проще, в целом этот график повторяет рисунок двухгодичной давности.

В 2013-м, как мы уже говорили, объём данных по протон-ядерным столкновениям, собранных на БАКе, многократно увеличится. Можно ожидать, что корреляционный эффект будет охарактеризован с большей точностью, а это, в свою очередь, позволит выбрать подходящее его теоретическое объяснение.

Подготовлено по материалам arXiv ([1], [2], [3]) и коллаборации CMS.