ATLAS и CMS видят адронный «хребет» на энергии 13 ТэВ

Рис. 1. Разные варианты скоррелированного разлета двух адронов. Слева: ближние корреляции, в центре: дальние корреляции из-за жесткого столкновения двух кварков, справа: корреляции, близкие по углу и дальние по быстроте, которые и формируют новый «хребет» в распределении

Когда в 2010 году Большой адронный коллайдер только-только восстановился после аварии и начал набирать обороты, физики-теоретики замерли в ожидании больших открытий. Однако поначалу техники были предельно осторожны, поэтому статистика накапливалась очень медленно, и никаких новых данных касательно долгожданного хиггсовского бозона или суперсимметрии не поступало. В этой ситуации первым по-настоящему новым научным результатом коллайдера стало открытие неожиданных корреляций адронов, вылетающих в противоположные стороны, но примерно под одинаковыми азимутальными углами. Эти корреляции выглядели как небольшой хребет на распределении, и это название — «хребет» (по-английски, ridge) — за эффектом и закрепилось.

Подробное описание эффекта и его возможные теоретические объяснения приведены в нашей новости Детектор CMS обнаружил необычные корреляции частиц. Вкратце, суть вот в чем. Когда в столкновении больших энергий возникает много адронов, то они рождаются более-менее независимо. Можно взять два произвольных адрона и измерить, насколько отличаются их направления вылета на диаграмме быстрота-угол (это стандартный способ описания направлений частиц на адронных коллайдерах). Распределение в целом получится равномерным, кроме двух специальных областей. Первая — это «ближний пик»: вылет адронов в близких направлениях, как на рис. 1, слева, усилен. Вторая — это «дальний хребет», то есть вылет частиц в противоположных направлениях (рис. 1, в центре).

Однако коллаборация CMS обнаружила в 2010 году и новый тип корреляций, когда два адрона вылетают по одну сторону от оси столкновения, но в очень разных направлениях — как на рис. 1, справа. Эти корреляции наблюдались только в событиях с экстремально большим числом рожденных частиц. Эффект оказался довольно нетривиальным и стал предметом многочисленных публикаций. Сейчас большинство физиков склоняются к мысли, что его исходной причиной являются не какие-то процессы во время столкновения, а особое состояние протонов до него.

В этом году коллайдер был запущен на рекордной энергии столкновений 13 ТэВ. Разумеется, одна из первых вещей, которую физики захотели проверить: как ведет себя «хребет» на таких энергиях. Обе коллаборации надежно зарегистрировали наличие хребта, изучили его свойства, и опубликовали недавно результаты своих исследований: в сентябре появилась статья ATLAS (Observation of long-range elliptic anisotropies in √s = 13 and 2.76 TeV pp collisions with the ATLAS detector), в октябре — статья CMS Measurement of long-range near-side two-particle angular correlations in pp collisions at sqrt(s) = 13 TeV. Обе статьи направлены в печать в журнал Physical Review Letters. Краткий рассказ о работе ATLAS появился также в издании ATLAS Briefings.

На рис. 2 приведен тот самый график, на котором и был обнаружен пять лет назад хребет, но только теперь при энергии 13 ТэВ. Здесь показана корреляционная функция адронных пар, направления вылета которых на диаграмме быстрота-угол различаются на Δη по быстроте и на Δφ по азимутальному углу. Два графика отвечают двум критериям отбора событий в детекторе ATLAS: малочисленные события (слева), когда в столкновении рождалось от 10 до 30 заряженных адронов, и многочисленные события (справа), когда таких адронов рождалось более 120. На обоих графиках есть общие элементы рельефа, отвечающие ближнему пику и противоположным адронами, а на правом, в дополнение к этому, есть слабенький, но вполне различимый хребет при Δφ ≈ 0, но с большой разницей Δη.

Рис. 2. Величина корреляции между двумя адронами, направления вылета которых различаются на величину Δη по быстоте и Δφ по азимутальному углу. Слева: события с малым числом адронов, справа: события с рождением более чем 120 заряженных адронов. Изображение из статьи ATLAS Collaboration, 2015. Observation of long-range elliptic anisotropies in √s=13 and 2.76 TeV pp collisions with the ATLAS detector

Аналогичные результаты были получены и коллаборацией CMS. Обе группы выяснили, что «хребет» наиболее заметен при среднем поперечном импульсе адронов (рис. 3, слева) и усиливается по мере роста числа адронов (рис. 3, справа). Более того, CMS сравнила полученные результаты с предсказаниями теоретической модели, которая учитывала особое состояние протонов в первые йоктосекунды после столкновения (глазма), а также зависимость этого эффекта от энергии. Теоретические кривые правильно схватывали основные закономерности, однако они предсказывали намного более крутую зависимость от числа частиц. Физикам теперь предстоит разобраться, почему так получается.

Рис. 3. Зависимость адронного «хребта» от поперечного импульса адронов (слева) и их количества (справа). Пустыми символами показаны данные 2010 года на энергии столкновений 7 ТэВ, закрашенными — новые данные на энергии 13 ТэВ. Теоретические предсказания для двух энергий показаны пунктирными линиями. Изображение из статьи CMS Collaboration, 2015. Measurement of long-range near-side two-particle angular correlations in pp collisions at sqrt(s) = 13 TeV