Некоторые приемы анализа протон-протонных столкновений

Обработка результатов протон-протонных столкновений на адронных коллайдерах и сравнение их с теоретическими предсказаниями тоже имеет свои особенности по сравнению с другими типами коллайдеров. Связаны они со следующими двумя аспектами:

1) В типичном столкновении двух протонов рождается много (несколько десятков) адронов, причем многие из них вылетают под очень малыми углами и избегают детектирования («улетают в трубу»). Поймать абсолютно все рожденные частицы, и тем более восстановить, какая из них как родилась, удается нечасто.

2) Теоретические расчеты обычно ведутся на уровне партонов, а в эксперименте детектируются адроны. Процесс превращения набора партонов в набор адронов пока не поддается теоретическим расчетам из первых принципов. Его приходится моделировать, опираясь как на теорию, так и на данные предыдущих экспериментов. Поэтому связь между теорией и экспериментом не столь непосредственна, как, например, в электрон-позитронных столкновениях.

В ситуации, когда нет возможности и смысла отлавливать все родившиеся частицы, применяются специфические методы анализа событий. Каждый из них акцентирует внимание на том или ином аспекте процесса. Вот некоторые из таких методов.

• Можно изучать инклюзивные процессы, то есть свойства сразу всей совокупности рожденных адронов (pp → X, где X обозначает любой набор адронов). Тут интересны такие величины, как количество рожденных адронов, их распределение по быстроте и по поперечному импульсу. Более тонкий анализ — полуинклюзивные процессы, в которых фиксируется одна частица, а остальные могут быть любые (например, pp → πX).
   
• Можно анализировать события с несколькими струями. Поскольку направление и энергия струи коррелирует с направлением и энергией породившего ее партона, анализ таких событий будет более приближен к теоретическим расчетам, чем в инклюзивных процессах. Интересные величины здесь: распределение струй по быстроте и по поперечному импульсу, соотношения между двухструйными и многоструйными событиями и т. д. Эти величины отражают свойства жесткого партонного подпроцесса.
   
• Особый класс струй — струи, порожденные b-кварком (b-струи). Поскольку b-кварки участвуют во многих важных процессах на LHC (например, в распаде легкого хиггсовского бозона и распаде t-кварка), полезно научиться отличать b-струи от всех остальных типов струй. Это возможно благодаря достаточно большому времени жизни мезонов, содержащих b-кварк. Точка распада b-кварка отстоит на доли миллиметра от точки столкновения протонов, что можно заметить с помощью вершинных детекторов.

Результат восстановления события с двумя b-струями в эксперименте DZero на коллайдере Тэватрон. Большинство рожденных частиц выходят из одной точки, однако две группы адронных треков (показаны синим цветом) сходятся в точках, слегка отстоящих от точки столкновения. Показаны также родившиеся в реакции лептоны — электрон и мюоны. Рис. с сайта www.fnal.gov

• Поиск событий с высокоэнергетическими лептонами или фотонами. Эти частицы рождаются не за счет сильного, а за счет электромагнитного или слабого взаимодействий, поэтому на них не сказываются эффекты адронизации.

События с высокоэнергетическими лептонами или фотонами появляются, как правило, в результате рождения и распада какой-то очень тяжелой частицы, обычно W- и Z-бозонов. С одной стороны, лептонные распады удобны для поиска этих частиц, поскольку такие события очень «чистые» (то есть не загрязнены адронным фоном). Но с другой стороны, лептоны часто рождаются в паре с нейтрино, которые уносят поперечный импульс и не регистрируются в детекторе. Тем не менее изучение процессов с лептонами, как правило, более перспективно, чем изучение чисто адронных каналов.

См. пример подробного разбора события с электроном и четырьмя струями, выполненного в эксперименте CDF на коллайдере Тэватрон. После анализа это событие было классифицировано как кандидат на рождение и распад топ-кварк–антикварковой пары.

Дополнительная литература:

• Н. Никитин. От теоретика до экспериментатора. Видовой определитель. — заметка, поясняющая роль разных групп физиков в современной ФЭЧ.
• Ф. Хелзен, А. Мартин. «Кварки и лептоны. Введение в физику элементарных частиц». Москва, «Мир», 1987.
• В. Г. Гришин. Инклюзивные процессы в адронных взаимодействиях при высоких энергиях // УФН, т. 127, вып. 1, с. 51–98 (1979).