Блог ATLAS рассказывает о тонкостях изучения «мягких» адронных процессов

Рис. 1. Детектор ALFA расположен в туннеле коллайдера в 240 метрах от «родительского» детектора ATLAS. Фото с сайта atlas-project-lumi-fphys.web.cern.ch

Обычно в новостные ленты попадают только самые громкие, порой революционные, результаты коллайдера. Однако научная программа LHC включает множество вопросов, которые пусть и не рубят наповал широкую публику, но для самих ученых важны и интересны. Более того, некоторые результаты физики добывают совсем не так, как тот же хиггсовский бозон, — и тогда сам процесс выцарапывания этой информации у природы становится своего рода искусством.

Недавно блог коллаборации ATLAS в серии из четырех постов (1, 2, 3, 4) рассказал о буднях специальных сеансов с расфокусированными пучками и об измерениях на детекторе ALFA, заточенном именно под такую работу. Мы писали про эти сеансы в 2011 и 2015 годах. Их цель — изучить «мягкие» адронные процессы, то есть такие столкновения, при которых, несмотря на огромную энергий соударений, протоны выживают и отклоняются на очень малый угол (упругое рассеяние) либо теряют маленькую долю энергии, но по-прежнему летят практически вперед (адронная дифракция).

В обычном режиме работы коллайдера такие процессы зарегистрировать невозможно. Углы отклонения настолько маленькие, что протоны «улетают в трубу»: они неотличимы от просто пролетевших мимо, но не провзаимодействовавших протонов. Чтобы заметить отклонение на очень малые углы, надо сделать пучки максимально параллельными, а это значит, что их требуется расфокусировать. Про то, как это делается, мы рассказывали в новости Специалисты научились сжимать пучки лучше, чем в прошлом году.

Регистрируют эти события совсем не так, как обычные, жесткие, столкновения. Вместо огромного многослойного детектора на пути частиц стоит тонкая пластинка с полупроводниковыми датчиками, которую протон пронзает насквозь, оставляя в ней точечный сигнал. Эти пластинки расположены прямо в вакуумной трубе, в радиационно-жестких и опасных условиях, всего в нескольких миллиметрах от мощного протонного пучка. Два основных детектора, построенных по этой технологии, — это TOTEM, который расположен вблизи CMS, и ALFA, установленный рядом с ATLAS. Описанные в блоге эксперименты проводились на ALFA.

Рис. 2. Упругое рассеяние протонов по данным ALFA. Изображение с сайта atlas.ch

На рис. 2 показано, как выглядят сырые данные по упругому рассеянию протонов на очень малые углы. Показаны две пары верхних и нижних пластин; основной пучок пролетает в точке с координатами (0, 0). Каждое попадание протонов — это отдельная точка. Когда плотность точек становится большой, она отображается цветом. Вертикальные «лучи» на этих пластинах — это как раз «засветка» от упруго рассеявшихся протонов. Обратите внимание, насколько малые углы требуется измерять: пролетев 240 метров после точки столкновения, протоны отклонились вбок всего на несколько миллиметров!

Рис. 3. Протоны, испытавшие дифракционное соударение. Изображение с сайта atlas.ch

Другой вариант рассеяния, который может измерять ALFA, — это адронная дифракция. Протон при этом не только слегка отклоняется, но и теряет небольшую долю энергии. Такой протон будет лететь в магнитной системе коллайдера не по идеальной орбите, а его будет сносить вбок, причем — только в одну сторону. Мы этот эффект уже предлагали сосчитать в задаче Форвард-детектор на LHC. Он хорошо заметен на рис. 3, где, по сравнению с рис. 2, набрано уже намного больше статистики.

Манипуляция с детекторами в непосредственной близости от пучка — дело очень ответственное; посты в блоге ATLAS рассказывают и об этой части работы. Техники выполняют множество проверок стабильности пучков перед тем, как дать добро на выдвигание пластин детекторов. Специфика этого эксперимента в том, что, как раз из-за близости детектора к пучку, электроника считает, что пучки небезопасны. Поэтому людям приходится вручную отменять это предупреждение и работать в условиях, которые компьютер считает небезопасными.