Эффект хребта и мягкие адронные струны
Сотрудники ФИАН дали объяснение эффекту «хребта» в экспериментах на Большом адронном коллайдере (LHC).
Чуть больше года назад участники коллаборации CMS на LHC объявили об обнаружении эффекта, не предсказанного модельными расчетами, — корреляции в движении вторичных частиц, рожденных в протон-протонных столкновениях.
Детектор CMS (Compact Muon Solenoid – компактный мюонный соленоид) регистрирует процессы, происходящие при столкновении пучков протонов и ядер. Каждое столкновение, особенно центральное, влечет за собой рождение вторичных частиц, разлетающихся из точки первоначального соударения под определенным углом. Эффект, выявленный на LHC, заключается в том, что после соударения пучков протонов с энергиями 3,5 ТэВ (3,5*1012 эВ) пары вторичных заряженных частиц оставались связанными, даже разлетаясь в разные стороны. Эта корреляция проявляется в виде хребта на карте распределений (см. рисунок 1, карта справа).
За два года до этого нечто похожее наблюдалось в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов на ускорителе RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider – релятивистский тяжело-ионный коллайдер) в Брукхевенской национальной лаборатории (США). А самые первые указания на корреляции частиц с малым отличием в азимутальных углах и большой протяженностью по полярным углам (псевдобыстроте) были получены еще 25 лет тому назад – в космических лучах в экспериментах ФИАН на Памире (в соударениях протонов с ядрами воздуха), как раз при энергиях, соответствующих энергиям LHC.
Однако несмотря на то, что эффект проявлял себя как минимум трижды, однозначного объяснения ему пока нет. Объяснение, которое предлагают сотрудники ФИАН Максим Азаркин, Игорь Дремин и Андрей Леонидов, основывается на существовании мягких адронных струн.
Рассказывает ведущий научный сотрудник Сектора физики высоких энергий, д.ф.-м.н. Андрей Леонидов: «Адронная струна – это то, что связывает кварк и антикварк в мезоне. Когда мы пытаемся растащить их друг от друга, то из-за эффекта конфайнмента кварк и антикварк разойтись не могут, и между ними появляется скрепляющая их хромоэлектрическая трубка, которая и называется адронной струной. У мягкой адронной струны, с которой мы связываем явление хребта, натяжение порядка ГэВа на Ферми. Процессы множественного рождения частиц связаны с тем, что эти трубки распадаются, когда струну растягивают. Грубо говоря, она разрывается на более короткие струны, которые в конце концов становятся частицами. Это все равно, что разрывать резиновую ленточку, но при этом нужно иметь в виду, что как только она разорвалась посередине, каждый из кусочков подхватывается дальше и растягивается вновь. Это происходит до тех пор, пока наконец все не успокоится, а те куски резиновой ленточки, которые останутся – есть конечные адроны».
Определяющим эффект фактом с позиции теории струнной философии является то, что струны, натянутые между кварками, образуют выделенный вектор, который связывает траектории разлетающихся частиц в поперечной плоскости. Этот вектор как раз и показывает выделенное направление, в котором происходит ориентация или так называемая выстроенность. Ученые ФИАН считают, что этого механизма достаточно, чтобы появился эффект «хребта». «Если выключить все другие механизмы, кроме этого, то появится та самая выстроенность. Мы показали действие такого естественного механизма, который работает всегда, когда есть струнные или струноподобные конфигурации. То есть все вполне укладывается в особенности того, как должна быть натянута эта струна. Это довольно естественная вещь, дающая максимально простую интерпретацию эффекта», — комментирует Андрей Леонидов.
Исходя из проведенных модельных расчетов, эффект выстроенности вторичных частиц с учетом адронных струн наблюдается при определенном соотношении полярных и азимутальных углов, а также при определенных импульсах вторичных частиц, очень схожих с наблюдаемыми в экспериментах на LHC. По полярному углу – это плато, а по азимуту – пик при нулевом относительном угле, то есть частицы одинаково смотрят по азимуту и сильно коррелированны по полярному углу.
Работа была выполнена в рамках исследований, которые проводит в коллаборации CMS ФИАНовская группа под руководством главного научного сотрудника ФИАН, д.ф.-м.н. Сергея Русакова. Она объединяет теоретиков (И.Дремин и А.Леонидов) и экспериментаторов (аспирант Русакова М.Азаркин). По словам одного из соавторов работы Максима Азаркина, эта работа — часть большой деятельности Сектора высоких энергий ФИАН по пониманию того, что мы видим в опытах на Большом адронном коллайдере.
На рисунках:
Заставка – фрагмент картины Юрия Рычкова «Горный хребет», на фото внизу - Главный Кавказский хребет;
1. Сравнение распределений при меньших (слева) и больших (справа) значениях поперечного импульса; 2. На карте слева – распределение, полученное на LHC при столкновении протонов, справа – на RHIC при столкновении ионов золота (иллюстрации – CERN).
