20.03.2021. - Физики подтвердили существование оддерона

Физики подтвердили существование оддерона

Участники экспериментов TOTEM на Большом адронном коллайдере и D0 на Теватроне в совместной работе сообщили об открытии оддерона. Эта виртуальная бесцветная частица из нечетного числа глюонов (чаще всего — из трех), которой адроны обмениваются в упругих столкновениях при высоких энергиях, была предсказана в рамках квантовой хромодинамики — теории сильных взаимодействий элементарных частиц. Такой результат в очередной раз подтверждает состоятельность этой теории и демонстрирует, что протон при упругом рассеянии на протоне и антипротоне ведет себя по-разному. Коротко об открытии сообщает CERN Courier, препринт статьи доступен на сайте arxiv.org.

Обычно на таких ускорителях, как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе или Теватрон в Национальной Ускорительной Лаборатории Ферми (она же Фермилаб), основное внимание уделяют неупругим столкновениям частиц. Именно в результате таких столкновений, в которых два летящих навстречу друг другу протона или ядра сталкиваются почти лоб в лоб и «разваливаются» на кварки и глюоны, практически вся кинетическая энергия уходит на рождение новых частиц и экзотических состояний материи. Тем не менее интерес для ученых представляют и упругие столкновения, когда сами ускоряемые частицы в ходе взаимодействия друг с другом не разрушаются, а лишь меняют траекторию движения. Именно в упругих столкновениях можно проверить на прочность модели, которые предсказывают, как именно те или иные частицы взаимодействуют друг с другом на высоких энергиях.

Особый интерес для физиков представляют упругие столкновения протонов. Их рассеяние друг на друге при низких энергиях определяется электромагнитным и сильным взаимодействиями: первое осуществляется за счет обмена фотонами (переносчиками этого взаимодействия), а второе — за счет обмена виртуальными мезонами, в частности, пионами (которые, к примеру, отвечают и за взаимодействие протонов и нейтронов в ядрах). Но с ростом энергии сталкивающихся протонов все большее значение обретают эффекты, предсказываемые квантовой хромодинамикой. Согласно этой теории, при энергиях порядка нескольких тераэлектронвольт процесс упругого столкновения протонов осуществляется посредством обмена глюонами — переносчиками сильного взаимодействия.

Оказывается, что и в этом случае для теоретического описания такого процесса удобно предположить, что протоны обмениваются виртуальной частицей, состоящей из нескольких глюонов. При небольших значениях импульса, переданного в таком упругом столкновении, этот процесс хорошо описывается обменом между протонами бесцветной виртуальной частицей из четного числа глюонов — помероном. Сам померон — разновидность раджеонов, которые возникают в рамках теории Редже и позволяют хорошо описывать сильные взаимодействия адронов при высоких энергиях. Именно помероны, согласно предсказаниям квантовой хромодинамики, вносят основной вклад в сечения взаимодействия протонов высоких энергий. Кроме померонов теоретически могут возникать и похожие на них оддероны — тоже глюонные бесцветные виртуальные частицы, в которых, однако, нечетное число глюонов (в первом порядке — три). Существование таких частиц, в свою очередь, означало бы, что два протона и протон с антипротоном будут участвовать в упругом рассеянии по-разному: именно оддероны, в отличие от померонов, обладают отрицательной зарядовой четностью, из-за чего взаимодействуют с материей иначе чем с антиматерией.

Ранее ученые уже видели следы оддерона в экспериментальных данных по протон-протонным столкновениям на Большом адронном коллайдере, однако тогда ученым не хватило статистической точности для заявления об открытии частицы. Теперь же физики-участники двух схожих экспериментов TOTEM в ЦЕРНе и D0 в Фермилаб объединили свои данные с результатами предыдущего анализа и подтвердили существование оддерона. Благодаря тому, что TOTEM наблюдал за упругими столкновениями протон-протонных пар на Большом адронном коллайдере, а D0 — за упругими столкновениями протонов и антипротонов на Теватроне, можно сказать, что именно оддерон давал вклад в отличия между данными двух экспериментов.

Сами отличия в данных физики искали в зависимостях измеренного дифференциального сечения упругих столкновений пар протонов в зависимости от квадрата переданного импульса. Таким образом, исследователи фактически сравнивали вероятности, с которыми протон отклонится от своей начальной траектории на определенную (очень маленькую) величину при взаимодействии с протоном или с антипротоном при определенной энергии столкновения. Как можно понять, для такого анализа оба эксперимента должны были очень точно регистрировать импульсы протонов, летящих мимо точки столкновения на двух коллайдерах. На D0 для этого использовались детекторы на основе сцинтилляционных волокон, расположенные на расстоянии 23 и 31 метра по разные стороны от области перекрытия пучков протонов и антипротонов. Они позволяли измерять квадрат переданного импульса протонов и антипротонов с точностью вплоть до 0.02 квадратных гигаэлектронвольт. В случае TOTEM с теми же целями использовались так называемые Roman Pot детекторы, которые состояли из расставленных с интервалом в 66 микрометров кремниевых полосок толщиной в несколько десятых микрометра. Каждый такой детектор состоял из 10 пластин по 512 полосок в каждой, которые были поставлены перпендикулярно друг другу, и тем самым позволял регистрировать координаты пролетающих частиц.

Еще одним отличием двух экспериментов была энергия столкновения частиц. На TOTEM она лежала в промежутке между 2,76 и 13 тераэлектронвольт, в то время как на D0 столкновения проходили только при энергии 1.96 тераэлектронвольт. Чтобы сравнить данные по упругому рассеянию пар протон-протон и протон-антипротон, экспериментаторы экстраполировали результаты TOTEM на энергию D0. В итоге оказалось, что полученная таким образом зависимость дифференциального сечения не совпадает с измерениями эксперимента D0 со статистической точностью в 3,4сигма. Эта разница между измерениями для протон-протонных и протон-антипротонных столкновений и стала доказательством существования оддерона: именно он в двух рассмотренных случаях будет давать вклады разных знаков в значения амплитуды рассеяния сталкивающихся частиц и приводить к характерным отличиям в распределениях дифференциального сечения.

Но для подтверждения существования оддерона необходима статистическая точность в 5 сигма. Чтобы достичь такого значения, ученые учли результаты исследования упругих столкновений протонов на том же эксперименте TOTEM при энергии в 13 тераэлектронвольт. Тогда физикам удалось показать, что поведение параметра, равного отношению вещественной и комплексной составляющих амплитуды упругого рассеяния протонов, нельзя объяснить только с помощью померонов. Полученные результаты расходились с теоретическими моделями без учета оддеронов со статистической точностью в 4,7 сигма.

Таким образом, суммарная статистическая точность наблюдения оддерона в данных экспериментов TOTEM и D0 оказалась в промежутке между 5,2 и 5,7сигма (в зависимости от теоретических моделей, использованных для проверки экспериментальных данных). Это значит, что ученые теперь могут официально говорить об открытии этой частицы. Это не первое открытие, связанное с упругими событиями на Большом адронном коллайдере: ранее физики показали, что рождающиеся при упругих взаимодействиях протонов фотоны могут взаимодействовать и рождать W-бозоны. А о том, что еще ученые хотят от коллайдеров, можно почитать в нашем материале «100 ТэВ на перспективу».

Источник