Шесть месяцев экспериментов в CMS (Compact Muon Solenoid — компактный мюонный соленоид) Большого адронного коллайдера (LHC) при суммарной энергии встречных пучков протонов 7 ТэВ принесли интересные результаты. Физики обнаружили неожиданный эффект, который не был предсказан теоретиками. Наблюдался он при столкновениях «высокой множественности», то есть столкновениях двух пучков протонов, в результате которых рождалось более 100 заряженных частиц. Изучение поведения вторичных частиц показало, что некоторые из них связаны между собой (скоррелированы) способом, ранее не наблюдавшимся при протонных столкновениях.
«Каждая из этих частиц вылетает из точки соударения протонов под определённым углом. Для описания его в пространстве используют проекции вдоль оси столкновения (полярный угол или псевдобыстрота) и перпендикулярно оси столкновения (азимутальный угол). Перебрав в этом множестве все возможные пары частиц, вычислив для каждой пары разности каждого из углов и построив гистограмму зависимости этих разностей от числа событий, участники коллаборации CMS обнаружили, что пар с относительно малыми разностями азимутального угла и большими разностями псевдобыстрот наблюдается больше ожидаемого», — поясняет суть обнаруженного эффекта участник эксперимента, старший научный сотрудник Физического института им. П. Н. Лебедева (ФИАН) Российской академии наук Владимир Тихомиров.
Величина наблюдаемого эффекта зависит как от множественности вторичных частиц, так и от поперечных импульсов каждой из частиц, входящих в рассматриваемую пару.
Чтобы убедиться, что зарегистрированный тонкий эффект действительно существует и устойчиво воспроизводится, исследователи провели огромное количество проверочных экспериментов и набрали большую статистику столкновений «высокой множественности».
Исследователи отмечают, что обнаруженный эффект нельзя считать абсолютно новым — несколько схожие эффекты наблюдали ранее при столкновениях тяжёлых ядер (таких, как медь) на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов, расположенном в Брукхэйвенской национальной лаборатории США (RHIC, Brookhaven National Laboratory), которые были интерпретированы как проявление образования горячей плотной материи.
«Плотности частиц на БАКе (LHC. — прим. ред.) при 7 ТэВ для протон-протонных соударений оказались практически такими же, как на RHIC при 200 ГэВ для ядер, превысив теоретические предсказания в полтора раза. …По-видимому, этот эффект носит пороговый характер, то есть начинается при высоких плотностях энергии и больших размерах области взаимодействия. В совокупности это может указывать на то, что, как и в случае столкновения ионов, в протонных столкновениях при достаточно высоких энергиях может образовываться кварк-глюонная среда, вполне возможно, что плазма», — говорит другой участник коллаборации CMS, главный научный сотрудник ФИАН Игорь Дремин.
Тем не менее однозначного объяснения наблюдаемого в LHC эффекта пока нет. Для выявления природы явления требуются дополнительные эксперименты, в том числе и с протонными пучками, и дальнейшее обсуждение полученных результатов.
В сентябре 2010 года для будущих экспериментов в CMS были проведены работы, направленные на повышение точности установки углов пересечения пучков протонов, что позволяет избежать нежелательных столкновений частиц и других побочных эффектов. (Номинальный угол пересечения пучков составляет 170 микрорадиан.) Регулируется угол пересечения пучков установкой соответствующих параметров на магнитах, расположенных непосредственно перед точками их столкновения.
В ноябре—декабре 2010 года физики предполагают провести эксперименты по столкновению ядер свинца.
Цель исследований на CMS — изучение материи в горячем плотном состоянии, которая, как полагают, существовала лишь доли секунды после Большого взрыва. Эти эксперименты помогут понять, как такая материя эволюционировала в обычную ядерную материю, из которой построена Вселенная сегодня.
Отметим, что компактный мюонный соленоид — один из двух универсальных детекторов LHC, на котором можно проводить эксперименты по столкновениям пучков протонов и ядер. Его диаметр 15 м, длина около 29 м и вес 12,5 тыс. т. Над его созданием в течение 16 лет работали более 3100 учёных и инженеров из 39 стран.
