Очередной семинар коллаборации RDMS CMS “Физика на Большом адронном коллайдере” начался с неожиданных изменений его повестки, о которых объявил руководитель коллаборации RDMS СMS, председатель семинара, профессор Игорь Голутвин. Руководство семинара приняло решение проинформировать его участников о важном научном результате, полученном недавно в эксперименте CMS. Детектор CMS - один из двух универсальных детекторов на LHC, созданных для поиска новой физики, - зарегистрировал неожиданное поведение разлетающихся частиц, рожденных при соударении двух протонов.
Игорь Голутвин ознакомил аудиторию с пресс-релизом, распространенным коллаборацией СMS 21 сентября. Подробности наблюдения нового эффекта представил Владимир Гаврилов (Институт теоретической и экспериментальной физики) после запланированной лекции Александра Никитенко (сотрудник ИТЭФ и Imperial College (Лондон)) о перспективах открытия бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере. Российские ученые, находящиеся в так называемых точках двухстороннего доступа в различных регионах нашей страны, прослушали прямую трансляцию из ЦЕРН и задали вопросы докладчикам. Благодаря конференц-связи в семинаре участвовали физики Объединенного института ядерных исследований (Дубна), Института ядерных исследований РАН (Москва), Петербургского института ядерной физики им. Б.П.Константинова (Гатчина), Алтайского, Кемеровского, Омского и Томского госуниверситетов. Присутствовал на встрече физиков и корреспондент “Поиска”. Вот что он узнал.
Загадочный хребет
Окружающая нас материя сложена из элементарных кирпичиков - атомов. А масса атома сосредоточена преимущественно в его ядре, где находятся протоны и нейтроны. Последние, в свою очередь, смесь кварков и глюонов. Эти элементарные частицы настолько крепко “склеены” между собой, что не могут существовать в свободном состоянии. Тем не менее иногда при очень высоких энергиях они становятся почти свободными объектами в маленьком объеме пространства. Такое новое состояние материи получило название кварк-глюонная плазма - по аналогии с обычной плазмой, состоящей из отдельных заряженных частиц - ионов и электронов.
Возникновение кварк-глюонной плазмы сопровождается интересными и необычными явлениями. Например, возникают корреляции в поведении некоторых частиц: их распределение в пространстве напоминает форму хребта, вытянутого по полярным углам (“широта”) и сжатого по азимутальным (“долгота”). Этот эффект возникает за счет коллективных свойств, благодаря которым материя ведет себя как единое целое, даже когда ее части удалены друг от друга на большие, по меркам микромира, расстояния.
До недавнего времени из проведенных экспериментов следовало, что кварк-глюонная плазма образуется только при соударениях тяжелых ядер, состоящих из сотен протонов и нейтронов. Поэтому эффект “коллективизации” связывали с наличием большого числа сталкивающихся частиц. А при столкновении протонов подобное явление не наблюдалось. Многие теоретики полагали, что вероятность обнаружить какие-либо коллективные явления даже при мощности LHC очень мала. Тем более интересно, что уже в первых экспериментах, когда коллайдер достиг энергии 7 триллионов электрон-вольт, были обнаружены аналогичные корреляции в поведении частиц, рожденных при столкновении двух протонов.
Охота на бозон
Помимо сообщения о первом открытии, сделанном на Большом адронном коллайдере, на семинаре прозвучал доклад о бозоне Хиггса. Сотрудник Института экспериментальной и теоретической физики РАН Александр Никитенко напомнил, как появился в Стандартной модели этот пока еще гипотетический объект и почему церновский ускоритель сможет в ближайшие годы окончательно определить его статус: вымысел или реальность.
Почти полвека назад американский физик будущий нобелевский лауреат Шелдон Глэшоу предложил объединить электромагнитное и слабое (которое, например, вызывает распад нейтрона) взаимодействия. Давно было известно, что переносчиками электромагнитного поля являются обыкновенные фотоны, относящиеся к так называемым бозонам - частицам с целым спином (собственным магнитным моментом). В то время как обычная материя - это атомы, состоящие из частиц с полуцелым спином: протонов, нейтронов, электронов. Рассуждая по аналогии, Шелдон предположил, что и переносчиками слабого взаимодействия являются бозоны - они получили название промежуточных, были экспериментально открыты в 1980-е годы и оказались очень тяжелыми в отличие от безмассовых фотонов.
Чтобы преодолеть такую асимметрию, существующую в рамках единого электрослабого взаимодействия, английский профессор Питер Хиггс разработал специальный механизм, объясняющий возникновение больших масс у промежуточных бозонов. Для этого ему пришлось постулировать специальное поле, заполняющее собой все пространство. Согласно законам квантовой механики, этому полю должны соответствовать определенные частицы. Они и получили впоследствии название бозонов Хиггса.
Теоретики пока не могут рассчитать массу так необходимой им частицы. Есть версии, что бозон Хиггса - относительно легкий, 100-200 масс протона. Тогда его обнаружат в течение одного-двух лет. Но, возможно, он в три-четыре раза тяжелее. В этом случае придется подождать, когда коллайдер выйдет на полную мощность - 14 триллионов электрон-вольт. Одним словом, если непредвиденных перерывов в работе церновского ускорителя не случится, вопрос будет решен до 2014 года. Либо неуловимая частица существует реально и тогда ее обнаружат. А если не обнаружат, то она - не более чем вымысел.
Существует несколько интересных вариантов распада бозона, по которым экспериментаторы опознают его. Например, на два фотона с большой энергией. В этом случае нужно обнаружить два гамма-кванта, разлетающихся из одной точки. Правда, энергичные фотоны, проходя через вещество детекторов, будут порождать электрон-позитронные пары в большом количестве. Но физики, работающие в ЦЕРН, обладают достаточным опытом, чтобы “распутать” подобные события и правильно разобраться в них. Бозон Хиггса также может распасться на два промежуточных бозона с нулевыми зарядами, которые затем превратятся в четыре мюона. Эти тяжелые собратья обычных электронов практически не взаимодействуют с веществом и поэтому свободно пролетят по искривленным траекториям (из-за сильного магнитного поля) через все детекторы, породив электрические сигналы только в мюонной станции. Поэтому, обнаружив четыре изолированных мюона, рожденных при одном лобовом столкновении протонов, экспериментаторы вправе заподозрить наличие бозона Хиггса. Более того, измерив массу всех четырех частиц, они узнают, сколько в действительности весит один хиггс. Кстати, если физикам все-таки удастся его обнаружить, то, исследуя различные варианты распада, они смогут лучше настроить свободные параметры Стандартной модели.
По окончании лекции слушатели стали задавать вопросы. Из Дубны спросили:
- В физике элементарных частиц есть шесть кварков и шесть лептонов, и у всех разная масса. Поможет ли хиггс определить их численное значение?
- Нет, - ответил Александр Никитенко, - обнаружение бозона Хиггса покажет, что механизм возникновения масс у частиц именно такой, как его описали теоретики, но все свободные параметры Стандартной модели придется уточнять, как и раньше, в прецизионных экспериментах. В этом как раз и поможет LHC.
Из пресс-релиза коллаборации CMS:
Коллаборация CMS сегодня (21 сентября 2010 г.) направила в печать работу “Наблюдение дальнодействующих угловых корреляций в адронных взаимодействиях”, описывающую новое явление в протон-протонных столкновениях.
При анализе в CMS детекторе столкновений “высокой множественности”, в которых рождаются сотня и более заряженных частиц, было обнаружено, что некоторые из этих частиц определенным образом “скоррелированы” или ассоциированы вместе, рождаясь в точке столкновения.
Было естественным изучить эти корреляции в протон-протонных столкновениях на LHC с наивысшей множественностью, когда плотность рождающихся частиц приближается к той, которая реализуется в столкновениях при высоких энергиях таких ядер, как медь, где подобные эффекты были уже замечены.
В представленном в работе анализе были отобраны все пары образующихся в столкновении заряженных частиц и измерены различия в направленности их движения. Эти различия обозначены как Δη и Δφ (i).
Для каждой пары была вычислена соответствующая “функция корреляции” (R).
На рисунке 2 показана зависимость R от Δη и Δφ для среднего типичного столкновения с высокой множественностью.
Наиболее заметное различие между этими двумя картинами - неожиданное появление на второй из них протяженного “хребта” при Δφ=0 для всех Δη.
Это означает, что некоторые пары частиц при больших Δη, удаляясь друг от друга со скоростью света, остаются ориентированными по направлению своего движения вдоль одного и того же азимутального угла φ, как если бы частицы были некоторым определенным образом ассоциированы вместе, рождаясь в точке столкновения.
Вот как это комментирует руководитель коллаборации CMS Гвидо Тонелли: “Хотя мы активно искали подобное явление, само его появление в протон-протонных столкновениях было неожиданным и потому оказалось крайне интересным. Дополнительная статистика прольет больше света на природу этого эффекта. Это наблюдение демонстрирует возможности детектора CMS, так же как и физиков, его эксплуатирующих. Мы находимся на пути исследования дюйм за дюймом новой территории, ставшей доступной благодаря возможностям LHC”.
Это первое наблюдение подобного явления в протон-протонных взаимодействиях, и возможны его различные толкования. Хотя однозначного объяснения такого эффекта еще нет, новая структура имеет сходство с явлениями, наблюдаемыми при столкновениях тяжелых ионов на RHIC (Релятивистский тяжело-ионный коллайдер в США), которые интерпретировались как проявление образования горячей и плотной материи в столкновениях релятивистских тяжелых ионов.
Более детальный анализ с увеличенной статистикой будет предпринят для данного класса процессов с высокой множественностью. Рост интенсивности пучков LHC в ближайшие месяцы обеспечит по крайней мере в 100 раз большую статистику, что даст возможность досконально изучить обнаруженный эффект и прояснить стоящий за ним механизм явления.
Краткий научный итог работы может быть найден на сайте cms.web.cern.ch/cms/News/2010/QCD-10-002/index.html, а полный текст - в электронном архиве статей arXiv:1009.4122.