ATLAS измерил полное сечение протонных столкновений

Рис. 1. Полное сечение и сечение упругого рассеяния протонов при разных энергиях столкновений

Рис. 1. Полное сечение (верхние данные) и сечение упругого рассеяния протонов (нижние данные) при разных энергиях столкновений. Красным цветом показано измерение ATLAS, черным квадратиком — недавний результат TOTEM, закрашенными символами — результаты других коллайдерных экспериментов, пустыми символами — данные, полученные из космических лучей. Кривые показывают наилучшую теоретическую аппроксимацию данных. Изображение из обсуждаемой статьи

В недавнем препринте Measurement of the total cross section from elastic scattering in pp collisions at √s=7 TeV with the ATLAS detector коллаборация ATLAS сообщает о результатах измерения полного сечения протонных столкновений при энергии 7 ТэВ. По определению, эта величина описывает вероятность того, что с протонами при столкновении произойдет хоть что-то (а точнее, хоть что-то за счет сильного взаимодействия). Это, фактически, сумма по всем сечениям конкретных адронных процессов. Эта величина играет важную роль в понимании того, что представляют из себя протоны при высоких энергиях и как они сталкиваются. Поскольку настоящему теоретическому расчету полное сечение протонов при больших энергиях пока не поддается, его приходится моделировать на основе тех или иных предположений. Более того, сейчас существует несколько конкурирующих теоретических моделей этого процесса. Его «визитной карточкой» и одновременно одним из главных предметов споров является тот факт, что это сечение очень необычно медленно растет с увеличением энергии (рис. 1), поэтому точное измерение роста позволит лучше разобраться с этими моделями.

Описанное в статье измерение — особого типа, оно не похоже на подавляющее большинство измерений, выполняемых на коллайдере. Поэтому будет полезно хотя бы кратко упомянуть ключевые особенности такого типа измерений.

Во-первых, полное сечение протон-протонного взаимодействия настолько велико по меркам микромира, что для его измерения нужна маленькая светимость — иначе детектор захлебнется в данных. Опубликованный результат был получен на светимости 80 μb–1, что составляет лишь миллиардные доли полной светимости LHC. Но даже при такой низкой светимости были набраны миллионы событий, что позволило сильно уменьшить статистическую погрешность.

Во-вторых, измеряется этот процесс не напрямую, через суммирование всех возможных вариантов столкновений, а с помощью глубокой связи между полным сечением и упругим рассеянием в направлении строго вперед (формула, выражающая эту связь, называется оптической теоремой). Это рассеяние тоже недоступно прямому наблюдению: ведь если протоны после столкновения летят строго вперед, то они для детектора никак не отличимы от протонов, которые просто пролетели друг мимо друга без взаимодействия. Поэтому выполняется это измерение так: изучается упругое рассеяние на очень малые, но ненулевые углы, вплоть до нескольких угловых секунд, а затем данные экстраполируются к нулевому углу (рис. 2). Эта экстраполяция вносит дополнительную погрешность, но она невелика.

Рис. 2. Сечение упругого рассеяния протонов при очень малых углах по данным ATLAS

Рис. 2. Сечение упругого рассеяния протонов при очень малых углах по данным ATLAS. Данные получены в области поперечных импульсов от 0,1 ГэВ и выше (по горизонтальной оси показан квадрат этой величины). Экстраполяция этой зависимости к нулевому поперечному импульсу позволяет определить полное сечение рассеяния. Изображение из обсуждаемой статьи

В-третьих, поскольку требуется изучать рассеяние на очень малые углы, исходные пучки должны сталкиваться в режиме сверхмалого углового расхождения. При обычной работе коллайдера это условие не выполняется. Поэтому проводится такое измерение во время коротких сеансов с расфокусированными пучками. Описанные в статье данные были набраны во время одного такого сеанса в 2011 году. Поскольку обычные детекторы не способны регистрировать протоны, рассеянные на столь малые углы, для их улавливания используются специальные детекторные станции, построенные по технологии детекторов Roman Pots. Применение этих детекторов на LHC было разобрано в нашей задаче Форвард-детектор на LHC. На Большом адронном коллайдере установлено несколько таких детекторов; в данной работе использовалась станция ALFA, относящаяся к детектору ATLAS.

По результатами этого измерения полное сечение протон-протонного рассеяния оказалось равным σtot(pp) = 95,35 ± 1,30 mb. Были также измерены упругое и неупругое сечения и некоторые другие параметры процесса. До сих пор существовало только одно измерение этой величины при энергии 7 ТэВ, полученное в 2011 году коллаборацией TOTEM; оно тогда дало 98,6 ± 2,2 mb. Нынешний результат ATLAS — чуть ниже, но различие между двумя измерениями не слишком велико, см. рис. 1. И оба этих результата на порядок точнее, чем то, что было известно физикам до эпохи LHC из анализа космических лучей. Вкупе с будущими измерениями полного сечения при энергии 13–14 ТэВ, эти измерения позволят еще лучше разобраться в том, какая из моделей устройства протонов при высоких энергиях более адекватно описывает реальность.


7
Показать комментарии (7)
Свернуть комментарии (7)

  • Gli4i  | 09.09.2014 | 21:59 Ответить
    А откуда слева на чёрном графике второй хвост, задирающийся вверх?
    Ответить
    • Игорь Иванов > Gli4i | 10.09.2014 | 01:48 Ответить
      Это протон-антипротонное сечение. Оно при низких энергиях выше протон-протонного. При больших энергиях они стремятся друг к другу (теорема Померанчука).
      Ответить
      • Serg_Y > Игорь Иванов | 10.09.2014 | 20:50 Ответить
        Логично, кулоновское взаимодействие меньше влияет.
        Ответить
        • Игорь Иванов > Serg_Y | 11.09.2014 | 13:28 Ответить
          Кулоновское взаимодействие не при чем, эта разница тоже берется из-за сильного взаимодействия. В протон-антопротонном столкновении при низких энергиях намного сильнее аннигиляция кварков.
          Ответить
          • Serg_Y > Игорь Иванов | 15.09.2014 | 08:42 Ответить
            "Колхоз" из кварков и глюонов ввел меня в ступор, спасибо Игорь, будем думать.
            Ответить
  • PavelS  | 14.09.2014 | 23:43 Ответить
    А почему вообще такие неточности измерения на коллайдерах? Статистики ведь дополна. Вы же сами написали, что тут миллионные доли полной статистики. Систематические ошибки?
    Ответить
    • Игорь Иванов > PavelS | 15.09.2014 | 01:31 Ответить
      Вы имеете в виду окончательное число? Да, там доминируют систематические погрешности. Дальше статистику набирать (при этой энергии) было бы бессмысленно — она уже не улучшила бы результат.
      Насчет миллионной доли — это конечно верно, но накоплены эти крошечные 80 обратных микробарн были в ходе специального сеанса. Во время обычных столкновений такие данные получить просто нереально, т.к. там из-за сильной фокусировки пучки и так сами по себе расходятся после столкновений под заметным углом.
      Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»