Рис. 1. Типичный след, который оставляет в детекторе событие с рождением сотни адронов. Изображение из пресс-релиза ЦЕРНа

Детектор CMS открыл новое явление в столкновениях протонов при высокой энергии — корреляции частиц, вылетающих в существенно разных направлениях. Похожий эффект наблюдался два года назад в ядерных столкновениях, но пока неизвестно, имеют ли эти два явления одинаковое происхождение.

В чем суть открытия

22 сентября в архиве электронных препринтов появилась статья коллаборации CMS, работающей на одном из главных детекторов Большого адронного коллайдера, в которой сообщается об открытии нового явления в протонных столкновениях. Прежде чем описывать его подробно, следует подчеркнуть, что открытие открытию рознь. На нынешнем этапе работы Большого адронного коллайдера интенсивность протонных пучков пока невелика и статистика набирается медленно. Поэтому никаких принципиально новых частиц или взаимодействий еще не ожидается; за ними будут «охотиться» позже. Однако данных уже достаточно для того, чтобы в деталях исследовать поведение «обычных» частиц, которые в изобилии рождаются на LHC. Поскольку Большой адронный коллайдер вышел в новую, неизученную ранее область энергий, на нём могут проявляться новые динамические явления, которые были просто недоступны для предыдущих, более слабых ускорителей. Открытие CMS — как раз такого сорта, и относить его к «необъяснимым», как это сделали некоторые СМИ, не следует.

Суть открытия состоит в том, что частицы, рождающиеся в протонных столкновениях и разлетающиеся в сильно разные стороны, скоррелированы — то есть ведут себя схожим образом, а не полностью независимо. Похожее явление было открыто два года назад в столкновениях тяжелых ядер, и ему уже было предложено теоретическое объяснение (см. ниже). Однако тот факт, что оно начало проступать и в протонных столкновениях, несколько неожидан. Это значит, что протонные столкновения при очень больших энергиях в чём-то схожи с ядерными столкновениями. А этот вывод, в свою очередь, наводит на мысль, что столкновения адронов при сверхвысоких энергиях более универсальны, чем может показаться на первый взгляд.

О чем говорят корреляции

Корреляции — то есть систематическая схожесть каких-то черт у разных объектов — интересны обычно не сами по себе, а как способ увидеть нечто, скрытое от наших глаз. Это можно пояснить на таком житейском примере. Представьте себе, что, изучая базу данных клиентов, вы заметили, что два разных человека «скоррелированы по месту жительства»: они не только живут по одному адресу, но и переезжают с места на место синхронно. Это наблюдение сразу наведет вас на мысль о родстве между этими двумя людьми — родстве либо «исходном» (родитель и ребенок), либо «приобретенном» (супруги). В самой базе данных при этом никаких прямых указаний на родство может и не быть — вы о нём догадались, подметив корреляции.

Физики ищут корреляции в поведении родившихся элементарных частиц с похожей целью — понять, связывает ли эти частицы что-либо общее или нет. Связь эта может быть как «исходной» (например, две частицы родились одновременно при распаде общей «материнской» частицы), либо «приобретенной» (частицы родились независимо, но затем за счет взаимодействия друг с другом синхронизовали свое движение). И то, и другое может рассказать физикам много интересного о том, как вообще протекает рождение частиц и, в конечном счете, как «функционирует» наш мир.

Рис. 2. Углы вылета частиц в цилиндрическом детекторе (слева: изображение в параллельной проекции, справа: вид вдоль оси столкновений). Полярный угол θ измеряет отклонение от оси столкновения, азимутальный угол φ характеризует направление вбок. На рисунке для примера показаны разными цветами две частицы с большой разностью углов θ и небольшой разностью углов φ. Рисунок И. Иванова

Коллаборация CMS обнаружила, что рождающиеся в протонных столкновениях частицы иногда скоррелированы по азимутальному углу, даже если их полярные углы сильно различаются (см. рис. 2 с геометрическими пояснениями). Этот вывод был сделан на основе анализа статистики столкновений с полной энергией 7 ТэВ, полученной после набора интегральной светимости 1 обратный пикобарн. В типичном лобовом столкновении двух протонов с большой энергией рождается много разных адронов (см. рис. 1), которые разлетаются из места столкновения в разные стороны (подробное описание см. на страничке Эксперименты на адронных коллайдерах). Экспериментаторы брали одно за другим такие события и перебирали все пары рожденных частиц. Для каждой пары они вычисляли разность между азимутальными углами Δφ и между быстротами Δη (быстрота — это иной способ представить полярный угол θ; см. подробности на страничке Диаграмма «быстрота–угол»). Затем, при заданных Δφ и Δη, на основе всей статистики вычислялась корреляционная функция R, которая характеризовала отличие данных от полностью случайного распределения. Наконец, эта величина R строилась в виде трехмерного графика при разных Δφ и Δη.

Рис. 3. Коэффициент корреляции пары частиц в зависимости от разности между ними по углу Δφ и по быстроте Δη. Слева: типичный «рельеф» при усреднении по всем столкновениям; справа: «рельеф» при отборе только столкновений с высокой множественностью (не менее 110 родившихся частиц). На правом графике красной стрелкой показана новая особенность — небольшой по высоте, но длинный «хребет» при Δφ = 0. Изображение из обсуждаемой статьи

На рис. 3 приведены два таких графика, полученные CMS. Обе картинки отвечают случаю, когда для вычисления корреляций использовались только частицы с не очень большими поперечными импульсами — от 1 до 3 ГэВ. Описываемый эффект проявлялся именно для таких частиц; при большем или меньшем импульсе он уже был незаметен. Картинка слева отвечает ситуации, когда для обработки использовались почти все столкновения (это так называемая выборка с минимальным отбором, «MinBias»). На этой очень характерной картинке есть две стандартных «особенности рельефа». Первая — это пик вблизи Δφ = 0 и Δη = 0, который просто означает, что близкие частицы скоррелированы. Вторая — это более слабый «дальний хребет» вблизи Δφ = π. Он отвечает частицам, вылетающим в противоположные стороны; эта корреляция — тоже нормальная ситуация (см. для примера пояснения про адронные струи).

Однако, как обнаружил CMS, если для обработки отбирать не все события, а только те, в которых рождается очень много частиц (110 и более), то на графике возникает и дополнительный «элемент рельефа» — этакий «ближний хребет» при Δφ = 0 в довольно широком диапазоне по Δη. На рис. 3 справа он указан красной стрелкой. Этот хребет выглядит на графике не слишком высоким, но его присутствие статистически значимо, и именно оно указывает на наличие корреляций по азимутальному углу даже у «далеких» друг от друга частиц.

Это наблюдение интересно тем, что «приобретенной» такая корреляция быть не может. Родившиеся частицы разлетаются друг от друга с околосветовой скоростью, и за то короткое время, когда формулируется направление их вылета, они просто не успевают обменяться информацией и синхронизировать свое движение. Значит, корреляция должна быть «исходной», а это в данной ситуации довольно необычно.

Попытки теоретического объяснения

Для того чтобы лучше почувствовать «изюминку» такого поведения частиц, полезно напомнить, как вообще рождаются частицы в протон-протонных столкновениях. Происходит это вовсе не одномоментно. Два встречных протона, задев друг друга, превращаются в единый сгусток «взбудораженного» поля (его часто называют «файербол»), в котором перемешаны кварки, антикварки и глюоны. Этот комок, изначально очень горячий и очень компактный, еще не состоит из отдельных адронов — это просто смесь кварковых и глюонных полей. Однако спустя мгновение (а точнее, спустя несколько йоктосекунд) он быстро расширяется, остывает и уже тогда разваливается на отдельные адроны — более или менее стабильные и независимые «капли» кварк-глюонного вещества.

Теоретики изучают этот процесс уже примерно полвека. К сожалению, он очень сложен, и его эволюцию во времени не удается строго вычислить на основе исходных уравнений движения кварковых и глюонных полей. Поэтому подавляющее большинство моделей получаются чисто описательными и базируются на аналогиях с термодинамикой и статистической физикой. Такие модели имеют одно важное предсказание: адроны, «материализовавшиеся» из разных частей этого горячего сгустка, рождаются и разлетаются независимо, а значит, нескоррелированно. И лишь у тех частиц, которые родились из одного кусочка горячего сгустка, есть корреляция — тенденция вылетать примерно в одном направлении. (Заметим, что у таких частиц есть еще и дополнительные квантовые корреляции, про которые мы уже писали в новости Детектор CMS зарегистрировал квантовые корреляции пи-мезонов.)

Описанная выше картина всегда казалась очень естественной, и ее предсказания подтверждались на предыдущих адронных коллайдерах. Но в ней нет места для дальнодействующих корреляций, которые обнаружила коллаборация CMS. Поэтому приходится делать единственный вывод: использовавшиеся полвека модели не учитывают какой-то новый механизм, который вступает в игру при очень большом количество частиц и который порождает их корреляции «исходно», именно в момент рождения.

Какова природа этого механизма? Не исключено, что ответ теоретикам уже известен. Дело в том, что найденное на CMS явление вовсе не стало для экспериментаторов полной неожиданностью. Более того, его искали целенаправленно, поскольку очень похожий эффект был обнаружен два года назад в столкновении ядер на коллайдере RHIC. В ядерных столкновениях тоже рождается очень много частиц, причем при столкновении лоб в лоб их получается намного больше, чем когда ядра чуть-чуть задевают друг друга краями. «Хребет» в данных RHIC виден как раз при достаточно центральном столкновении. Это значит, что количество частиц (так называемая «множественность») является ключевой характеристикой. По-видимому, в событиях с очень высокой множественностью — будь то протон-протонные или ядерные столкновения — задействуется какой-то общий механизм, который и приводит к корреляциям.

В случае ядерных столкновений теоретики предлагают такое объяснение этого «хребта». Летящие с околосветовой скоростью ядра сильно сплющиваются в продольном направлении и выглядят скорее «блинами», чем шариками. В первый момент после столкновения два ядра-блина буквально пролетают друг сквозь друга. Однако столкновение не проходит для них незаметным, и в пространстве между ними возникает совершенно особое состояние материи, которое получило название «глазма». Это еще не адроны и даже не тот горячий сгусток полей, про который шла речь выше, — это некое исходное состояние, из которого потом разовьется комок кварковых и глюонных полей.

Теоретические расчеты показывают, что у глазмы есть интересная особенность — глюонные силовые поля натягиваются между двумя пролетевшими ядрами в виде длинных продольных трубок (см. рис. 4). Каждая такая трубка простирается в довольно большом диапазоне по полярным углам, но имеет более или менее фиксированный азимутальный угол. Эта трубка получается вытянутой вдоль просто потому, что именно в этом направлении движутся частицы. Когда она наконец распадется на частицы, то они прямо в момент рождения оказываются автоматически скоррелированными по азимутальному углу.

Рис. 4. Схематичное изображение двух ультрарелятивистских ядер до и после столкновения. В первый момент после столкновения образуется «глазма», и между двумя пролетевшими ядрами натягиваются струны глюонного поля. Разрываясь, они порождают частицы, которые уже скоррелированы по азимутальному углу. Изображение из лекции Л. Маклеррана на Байкальской летней школе-2010

На первый взгляд, этот эффект сам собой напрашивается и для объяснения «ближнего хребта» в протонных столкновениях, обнаруженного CMS. Но торопиться с выводами тут, конечно, не стоит. Протоны — не ядра, и опыт исследования сильных взаимодействий показывает, что эффекты, возникающие при столкновении протонов и при столкновении ядер, как правило, различны. Поэтому необходимы как детальные теоретические расчеты, которые подтвердили бы, что и в протонных столкновениях на LHC этот механизм работает, так и новые экспериментальные данные, в которых новый эффект был бы изучен более тщательно. Нельзя пока исключить и ситуацию, что в протонных столкновениях этот эффект имеет иное происхождение, чем в соударении ядер, — и такое развитие событий было бы, конечно, очень интересным. Сами экспериментаторы никаких суждений на этот счет не высказывают, поэтому остается ждать теоретических статей с объяснением корреляций.

Наконец, может случиться и так, что после более тщательного анализа «хребет» не пропадет, но перестанет выглядеть необычным. Дело в том, что вывод о том, что описанный эффект нов, был получен не просто из самих данных, а из сравнения данных с результатами численного моделирования по методу Монте-Карло. В специальном программном пакете Pythia8, использовавшемся для этого, физики, конечно, постарались промоделировать процессы множественного рождения частиц как можно точнее. Однако уже сейчас известно, что эта программа учитывает не все особенности превращения кварков в адроны, и не исключено, что после подстройки она сможет воспроизвести эффект CMS. Здесь слово остается за специалистами по численному моделированию столкновений.

Источник: CMS Collaboration. Observation of Long-Range Near-Side Angular Correlations in Proton-Proton Collisions at the LHC // препринт arXiv:1009.4122 [hep-ex] (21 September 2010).

Игорь Иванов