Результаты ALICE по асимметрии протонов и антипротонов ставят точку в давнем споре

Отношение количества антипротонов к количеству протонов в зависимости от энергии протон-протонных столкновений (верхняя шкала) или «прыжка по быстроте» при остановке протона (нижняя шкала). Измерения ALICE показаны красными точками, данные более ранних экспериментов — черными символами. Сплошной линией показана гладкая интерполяция, выполненная коллаборацией ALICE. Изображение из обсуждаемой статьи

Коллаборация ALICE, работающая на Большом адронном коллайдере, представила результаты измерения дисбаланса между протонами и антипротонами, вылетающими под большим углом к оси столкновения. Эти результаты, по-видимому, ставят точку в споре, длившемся несколько лет.

Протоны — не точечные, а составные частицы. Поэтому протон с большой энергией лучше всего представлять себе не как одну-единственную частицу, а как поток слабо связанных друг с другом партонов — кварков, антикварков и глюонов. В типичном столкновение двух протонов на Большом адронном коллайдере по-настоящему «жестко» сталкиваются лишь по одному партону из каждого протона. Этот процесс длится считанные доли йоктосекунды; за это время все остальные «партоны-наблюдатели» не успевают среагировать на жесткое столкновение и просто пролетают мимо. Однако спустя несколько йоктосекунд начинается адронизация: пролетевшие мимо фрагменты протона начинают взаимодействовать друг с другом, стремясь восстановить разрушенную в процессе столкновения структуру протона.

Что именно происходит на этом этапе с «разрушенным протоном» — до сих пор не совсем понятно. С некоторой вероятностью он может подхватить какой-то чужеродный кварк и вновь стать протоном (или другим барионом), но только потерявшим небольшую часть своей исходной энергии. Такой протон будет по-прежнему лететь вперед, почти вдоль оси столкновения, и в центральный детектор не попадет. Он также может поступить иначе — в некотором смысле «синхронно уцепиться» за оставшиеся позади осколки и тем самым резко затормозить (такой процесс называется «остановка бариона»). В этом случае протон потеряет очень существенную часть своей энергии и вылетит под большим углом к оси, в том числе и почти перпендикулярно, и будет зарегистрирован центральным детектором.

Как будет вести себя вероятность такого процесса с ростом энергии — оставаться на небольшом, но постоянном уровне или же быстро падать до нуля — зависит от деталей динамики сильного взаимодействия. Единого мнения у теоретиков на этот счет пока нет. «Наивно» можно было бы подумать, что остановка протона очень маловероятна, поскольку протон при высоких энергиях становится слишком «хрупким» объектом. Однако 10 лет назад неожиданные данные с электрон-протонного коллайдера HERA навели физиков на мысль, что такой процесс может оказаться вполне эффективным даже при очень высоких энергиях.

Сейчас благодаря Большому адронному коллайдеру эту гипотезу наконец-то удалось проверить на рекордно высоких энергиях. Для этого в эксперименте достаточно было сравнить количество протонов и антипротонов, вылетающих под большим углом к оси столкновения. И протоны, и антипротоны, конечно, могут рождаться и сами по себе в жестком столкновении, но в этом случае их возникает примерно поровну. «Остановившиеся» же протоны будут вносить дисбаланс в эту симметричную картину — ведь на LHC сталкиваются именно протоны, антипротонов там нет!

Именно эту асимметрию между протонами и антипротонами измерила коллаборация ALICE, работающая на одноименном детекторе на Большом адронном коллайдере. Статья с результатами измерения появилась недавно в архиве электронных препринтов и направлена для публикации в журнал Physical Review Letters. Главный результат их работы — отношение количества антипротонов к количеству протонов — показан на рисунке.

До сих пор это отношение было измерено лишь до энергий 200 ГэВ, и то с очень большими погрешностями. Благодаря измерениям, проведенным на LHC при двух энергиях протонных столкновений (0,9 ТэВ и 7 ТэВ), ALICE смогла поставить на этот график две точки с очень небольшой погрешностью (показаны красным цветом) и тем самым существенно прояснила ситуацию. Видно, что асимметрия между протонами и антипротонами неуклонно уменьшается с ростом энергии (то есть отношение стремится к единице), и причем довольно быстро. При энергии 7 ТэВ асимметрия составляет меньше 1%, и это уже сильно противоречит теоретическому предсказанию десятилетней давности.

Там образом, уже первые данные с LHC позволяют проверять довольно тонкие аспекты теории сильных взаимодействий. Интересно также отметить, что на Тэватроне эту величину изучать практически бесполезно из-за исходной симметрии реакции — ведь там сталкиваются протоны с антипротонами. Даже если протоны и антипротоны будут останавливаться, они всё равно не приведут к искомой асимметрии.

Источник: ALICE Collaboration. Midrapidity antiproton-to-proton ratio in pp collisions at √s = 0.9 and 7 TeV measured by the ALICE experiment, e-print 1006.5432 [hep-ex].