Необычный эксперимент на LHC поможет разобраться с загадкой космических антипротонов

Рис. 1. Эта скромная система впрыскивания инертного газа в вакуумную трубу в детекторе LHCb позволяет провести измерения, которые пригодятся для решения загадки космических антипротонов. Изображение с сайта cds.cern.ch

Инструмент, установленный для сугубо технических проверок в детекторе LHCb Большого адронного коллайдера, нашел неожиданное применение. Благодаря ему физики научились сталкивать протоны с ядрами инертных газов, тем самым резко расширив «ядерную» программу коллайдера. Обнародованные недавно результаты столкновения протонов с гелием помогут астрофизикам разобраться с загадкой космических антипротонов, обнаружившейся два года назад в данных космического детектора AMS-02.

Антиматерия в космических лучах

В современной экспериментальной физике регулярно случается, что инструмент или метод, изначально разработанный для одной конкретной цели, вдруг находит применение совершенно в других областях и позволяет решать задачи, о которых его создатели поначалу и не думали. Эта непредсказуемая миграция методов — элемент очарования современного физического эксперимента. Недавно такой перескок технологии произошел даже на Большом адронном коллайдере. Сугубо техническое устройство, сконструированное физиками из коллаборации LHCb для измерения светимости, позволило им ставить эксперименты необычного типа, которые никто больше на Большом адронном коллайдере делать не умеет. Более того, результаты этих экспериментов очень пригодятся астрофизикам: они помогут им разобраться с загадкой космических антипротонов, возникшей несколько лет назад.

Начнем издалека, с исходной загадки. Космические лучи — это долетающие до нас отголоски грандиозных экспериментов по ускорению частиц до огромных энергий и по их столкновению, которые природа сама ставит в глубоком космосе. Пусть мы пока не знаем со всей определенностью, где и в каких условиях разгонялись эти частицы, мы можем измерить их поток, угловое распределение, спектр (распределение по энергии) и, наконец, состав — и из этих данных узнать их происхождение. Один из главных вопросов тут: можно ли все особенности космических лучей списать на обычные астрофизические процессы или же они указывают на какой-то новый источник космических лучей? Десять лет назад, в попытках ответить на этот вопрос, развернулся настоящий космический детектив, который продолжается по сей день.

В 2008 году российско-итальянский спутниковый детектор PAMELA показал, что в космических лучах аномально много позитронов. Избыток наблюдался при энергии в десятки ГэВ и выше: с ростом энергии доля позитронов не падала, как предсказывали обычные астрофизические модели, а держалась на уровне 5–6%, а затем даже возрастала. Такое противоестественное поведение взбудоражило физиков: ведь оно могло означать, что избыточные позитроны рождаются при аннигиляции частиц неуловимой темной материи!

В 2011 году, после целого десятилетия строительства, на подмогу PAMELA пришел новый космический детектор AMS-02 — самый крупный на сегодня детектор элементарных частиц на орбите. Первые научные данные с AMS-02 были представлены в апреле 2013 года — и они подтвердили избыток космических позитронов. Однако астрофизики к тому времени поняли, что столь странный рост позитронной доли всё же может иметь и чисто астрофизическое происхождение. Более того, некоторые астрофизики вообще не видят никакой проблемы в этих зависимостях. Поэтому данные по позитронам, конечно, отличные, но увы, пока что нельзя говорить, что они достоверно указывают на темную материю.

Но тут случился следующий виток этой истории. Кроме позитронов в космических лучах присутствуют и другие античастицы — антипротоны. Их там в тысячи раз меньше, чем протонов, но они есть. Их происхождение — такое же, как и у позитронов, вторичное. Никто эти антипротоны изначально не ускорял. Просто протоны космических лучей очень высоких энергий, летя сквозь галактику, сталкивались с ядрами межзвездного газа и производили многочисленные адроны, в том числе и антипротоны. Астрофизическое моделирование предсказывает, что отношение антипротонов к протонам должно пройти через пик при энергии несколько ГэВ и затем начать постепенно снижаться. Однако данные PAMELA и, в особенности, AMS-02 показали несколько иную картину: выше 10 ГэВ отношение антипротонов к протонам выходит на плато и держится вплоть до 400 ГэВ (рис. 2).

Рис. 2. Доля антипротонов в космических лучах с энергией вплоть до 500 ГэВ по результатам измерений AMS-02 в сравнении с теоретическими предсказаниями. Вверху: график из первоначальной презентации коллаборации AMS, на котором данные кардинально расходятся с астрофизическими предсказаниями (коричневая полоса). Внизу: то же сравнение, но с учетом разнообразных источников погрешностей моделирования, выполненное другим коллективом астрофизиков. Красная полоса — неопределенность моделирования, связанная с плохим знанием сечения рождения антипротонов

Надо сказать, что, когда коллаборация AMS-02 два года назад сообщала об этих результатах, она рисовала ситуацию в излишне радужных тонах, сообщая о надежном расхождении между моделированием и данными в области высоких энергий (рис. 2, вверху). Однако почти сразу же было отмечено, что коллаборация явно занизила погрешности моделирования: в реальности предсказания далеко не столь однозначны (рис. 2, внизу). В частности, сечение рождения антипротонов в столкновении протонов большой энергии с ядрами гелия известно очень плохо, с точностью до двойки, и это одна из главных неопределенностей в моделировании.

Таким образом, вырисовывается вполне конкретный запрос от астрофизического сообщества к коллайдерному. Требуется провести эксперимент по рождению антипротонов в столкновениях протонов с ядрами гелия. Причем протоны должны обладать энергией в несколько ТэВ, чтобы антипротоны попали в нужный энергетический диапазон. Такие протоны, конечно, имеются в Большом адронном коллайдере, но только с гелием он их сталкивать не умеет.

Или всё же умеет?!

LHCb в режиме столкновений с фиксированной мишенью

И здесь начинается история, в чем-то напоминающая сказку про Золушку. Начинается она так же скучно, с технических подробностей. Для точного измерения сечений различных процессов столкновения недостаточно просто задетектировать рожденные частицы. Требуется знать, насколько интенсивно шли столкновения протонов. На языке ускорительной физики, требуется измерить светимость коллайдера.

Есть разные методы, как это можно сделать, но физики из коллаборации LHCb подошли к задаче оригинально. В 2012 году они собрали незамысловатую газовую систему (рис. 1), которую окрестили SMOG (System for Measuring Overlap with Gas). В ходе специальных сеансов стали впрыскивать немного инертного газа прямо в вакуумную трубу в районе своего детектора. Вакуум от этого портится, но не слишком: давление газа составляло около 10⁻⁷ миллибар. К тому же, благодаря насосам, эта зона с испорченным вакуумом простирается всего на десяток метров вдоль коллайдерной трубы и не мешает другим экспериментам LHC. Протонные пучки летят сквозь разреженное облачко газа, в общем-то, без помех, и лишь иногда протоны сталкиваются с ядрами газа. Детектор отслеживает последствия каждого такого столкновения, восстанавливает точку, в которой оно произошло, накапливает статистику, и — вуаля! — мы видим пространственное распределение пучков внутри детектора (рис. 3). Подробный отчет о работе этой методики см. в статье 2014 года Precision luminosity measurements at LHCb.

Рис. 3. Пространственное распределение двух сталкивающихся пучков в детекторе LHCb, полученное с помощью впрыскивания инертного газа. Рисунок с сайта cds.cern.ch

Для того чтобы атомы не оседали на стенках вакуумной трубы, требуется использовать только инертные газы, но в остальном никаких ограничений нет: SMOG может работать с гелием, аргоном, неоном, криптоном, ксеноном. Но позвольте! Раз так, то эти столкновения можно использовать не только для технических целей, не только для измерения светимости, но и для получения новых физических результатов! Ведь, по сути, SMOG позволяет организовать в LHCb уникальные условия, которые не сможет повторить никакой другой детектор на Большом адронном коллайдере. Во-первых, это столкновения в режиме неподвижной мишени, а не встречных пучков, как обычно работает коллайдер. А во-вторых — и в-главных, — это резкое расширение списка ядер, которые можно использовать для столкновений. В обычном режиме LHC сталкивает только протоны или ядра свинца — просто ничего другого он пока разгонять не умеет. А тут предлагается ставить на пути этих двух типов частиц еще несколько ядер разной массы. Вот так неожиданно LHCb врывается в ту область исследований, для которой он изначально вообще не годился.

Физики из коллаборации LHCb начали эту программу исследований со столкновений протонов с аргоном. Но тут в апреле 2015 года, на конференции NPQCD, Оскар Адриани предложил с помощью этой системы запустить в вакуумную трубу гелий и провести тот опыт по рождению антипротонов в протон-гелиевых столкновениях, которого ждут астрофизики. Идея настолько увлекла итальянских ученых, что был направлен официальный запрос в коллаборацию LHCb, и в июле того же года была созвана рабочая конференция, посвященная именно этой возможности. Оценки показали, что геометрия детектора вполне подходит для регистрации антипротонов вплоть до энергий 100–200 ГэВ, как раз в той области, где нужно.

LHCb поддержала эту заявку и в мае 2016 года, во время специального 5-часового сеанса, действительно провела измерения с облачком гелия. Анализ данных, правда, потребовал некоторой сноровки. Во-первых, плотность газа была очень низкой и остаточный газ в вакуумной трубе, которым обычно пренебрегают, мог испортить результаты, особенно если бы он содержал тяжелые элементы. К счастью, измерения показали, что это в основном молекулярный водород и его влияние на результаты не превышало 1%.

Второй технически важный момент — провести нормировку сечения. Мы, по сути, снова возвращаемся к задаче измерения светимости: недостаточно просто зарегистрировать сколько-то событий, надо также знать эффективную светимость коллайдера в этом необычном режиме (связь между ними описана на странице Величины в ФЭЧ и их единицы измерения). Для этого нужен другой, опорный процесс, сечение которого очень хорошо известно. В качестве этой «точки отсчета» физики использовали то же самое рассеяние протонов на атомах гелия, но уже не на ядрах, а на электронах этих атомов. Благодаря ему светимость была измерена с точностью 7%, и, как следствие, все последующие результаты имели погрешность порядка 8–10%.

В течение последних месяцев коллаборация LHCb обрабатывала данные и наконец, на прошедшей в мае конференции Moriond 2017, обнародовала предварительные результаты. Благодаря своей отменной системе идентификации, детектор уверенно регистрировал антипротоны и отличал их от других частиц. Была просканирована область энергий рожденных антипротонов от 12 до 110 ГэВ и построены распределения по поперечным импульсам выше 400 МэВ. Результаты были сопоставлены с теоретическими расчетами, выполненными на основе четырех разных моделей адронных столкновений.

Общий вид измеренных распределений действительно походил на то, что предсказывали модели, но вот величина сечения оказалась заметно больше типичных предсказаний; превышение достигало порой 50% (рис. 4). Иными словами, теоретическое моделирование производства антипротонов космическими лучами недооценивало интенсивность этого процесса. По всей видимости, после окончательной публикации результатов LHCb астрофизики пересчитают график, приведенный внизу на рис. 2, и он пройдет чуть выше, чем сейчас. Погрешности при этом тоже уменьшатся, так что очень любопытно узнать — будут ли данные AMS-02 по-прежнему расходиться с новыми предсказаниями, и если да, то насколько сильно.

Рис. 4. Распределение рожденных антипротонов по поперечному импульсу для разных диапазонов энергий. Разными цветами показаны отношения измеренным данных к предсказаниям четырех теоретических моделей. Изображение из обсуждаемого доклада

В целом, LHCb, потирая руки, приступает к своей неожиданно возникшей научной программе по столкновениям с неподвижной мишенью. Ближайшие цели — повторить то же измерение при другой энергии протонов (эти данные уже есть, они были набраны в ноябре 2016 года, но еще не обработаны), а также определить ту долю антипротонов, которая возникает не сразу в столкновении, а с запозданием, при распаде других антибарионов. После этого последует целый спектр различных измерений в столкновениях протонов с гелием, аргоном, неоном — всё то, что пока не умеет делать никто на Большом адронном коллайдере. LHCb на наших глазах становится настоящей лабораторией для изучения свойств космических лучей! И всё это, напомним, выросло из скромного технического приспособления, которое изначально применялось в LHCb только для мониторинга светимости.

Источники:
1) G. Graziani (for LHCb Collaboration). Fixed Target Physics at LHCb // доклад на конференции 52nd Rencontres de Moriond on Electroweak Interactions and Unified Theories, La Thuile, Italy, Mar 22, 2017.
2) LHCb Collaboration. Предварительная публикация LHCb-CONF-2017-002 (пока закрыта).

См. также:
1) Популярный обзор результатов LHCb.
2) LHCb brings cosmic collisions down to Earth // CERN Courier. 13 April 2017.
3) Of vacuum and gas // CERN Bulletin. 16 November 2015.
4) Материалы рабочей конференции Workshop on LHCb Heavy Ion and Fixed Target physics, 9–10 января 2017 года.

Игорь Иванов