Диаграмма «быстрота–угол»

Когда описывают направление вылета рожденной частицы, то обычно используют два угла в сферических координатах: полярный угол θ и азимутальный угол φ. Однако частицы, рожденные в протонных столкновениях, сильно прижаты к оси столкновения и распределены по углу θ очень неравномерно. Поэтому при описании частиц, рожденных в протонных столкновениях, принято использовать другую, более удобную кинематическую переменную, называемую быстротой (а точнее, «псевдобыстротой»): η = – ln (tg (θ/2)). Например, быстрота η = 1 отвечает углу θ = 40°, а быстрота 3 — углу θ = 5,7°.

Положительная и отрицательная быстрота равноправны и отвечают лишь частицам, летящим под малым углом к оси столкновения в ту или в другую сторону. Вообще, быстрота может быть по модулю сколь угодно большой, то есть угол отклонения частицы от оси столкновения может быть сколь угодно малым, однако центральный детектор обычно улавливает частицы с быстротой по модулю не выше 3–5. Для поимки частиц, отклонившихся на очень малые углы (с быстротой вплоть до 12), применяют специальные форвард-детекторы, которые устанавливаются прямо внутри вакуумной трубы и очень далеко от точки столкновения.

Польза от новой кинематической величины (быстроты) состоит в том, что адроны, рожденные в протонных столкновениях, распределены по быстроте гораздо более равномерно, чем по углу θ, что делает анализ сложного события проще и нагляднее. Пару переменных «быстрота — азимутальный угол φ» обычно изображают на прямоугольнике:

Типичный процесс рождения адронов и его отображение в диаграмме «быстрота–угол». Каждая точка на диаграмме отвечает одному адрону. «Прижатость к осям» отображается на диаграмме «быстрота–угол» как более или менее равномерная плотность частиц. (Рис. И. Иванова)

А так выглядит процесс рождения двух струй, вылетающих в противоположных направлениях:

Рождение двух струй и отображение этого процесса на диаграмме «быстрота–угол». На равномерном фоне адронов выделяются два адронных кластера — это адроны из двух струй. Выделение струй далеко не всегда столь очевидно, как на этом рисунке; обычно этим занимаются специально созданные алгоритмы нахождения струй. (Рис. И. Иванова)

А вот так выглядит особый тип событий — события с щелью по быстроте (rapidity gap):

Особый тип событий — события с щелью по быстроте. Его характерной особенностью является отсутствие частицы в центральной области по быстроте. (Рис. И. Иванова)

Такие события возникают в том случае, если два сталкивающихся партона почти не теряют продольный импульс, а лишь получают небольшой поперечный удар. От этого удара протон разваливается на несколько адронов, но все они летят почти вперед, и поэтому в центральной области по быстроте (то есть с небольшим значением |η|) нет никаких частиц. Такие события очень интересны, поскольку они могут возникать за счет обмена между протонами динамическим объектом, называемым помероном (по имени И. Я. Померанчука). Изучение померона и его свойств — отдельная большая область в теории сильных взаимодействий.

Диаграмме «быстрота–угол» часто добавляют третье измерение — по нему откладывают энергию частиц, измеренную в калориметрах. Благодаря этому диаграмма становится еще нагляднее: на ней легче заметить жесткие столкновения. На рисунке внизу показано одно из реальных событий, зарегистрированных на Тэватроне, которое оказалось похоже на рождение и распад пары топ-кварк–анти-топ-кварк:

Диаграмма «угол–быстрота–энергия» для одного из реальных событий, зарегистрированных на Тэватроне. Розовые и синие столбики показывают энергию, зафиксированную в электромагнитном и адронном калориметрах. Это событие было отобрано как кандидат на рождение и распад пары топ-кварк-антикварковой пары. Рис. из блога dorigo.wordpress.com