LHCb изучила рождение антипротонов в необычных протон-гелиевых столкновениях

Рис. 1. Сечение рождения антипротонов с импульсами от 12 до 110 ГэВ и поперечными импульсами от 1,2 до 2,8 ГэВ в асимметричных столкновениях протонов с энергией 6,5 ТэВ и неподвижных ядер гелия. Черные точки — данные, разноцветные гистограммы — предсказания различных теоретических моделей. Изображение из обсуждаемой статьи

В 2016 году коллаборация LHCb впервые провела столкновения протонов высокой энергии с разреженным облачком гелия, который техники впрыснули прямо в вакуумную трубу. Измеренное в этих столкновениях рождение антипротонов позволило резко уменьшить неопределенности теоретических моделей, которые используются астрофизиками для предсказания потока космических антипротонов.

В 2016 году, при работе с протонами с энергией 6,5 ТэВ, коллаборация LHCb провела необычный эксперимент. Прямо в работающий коллайдер, в участок вакуумной трубы рядом со своим детектором, физики впрыснули небольшой объем инертного газа гелия. Циркуляцию пучков это не нарушило, поскольку давление газа составляло лишь 10⁻⁷ миллибар. Зато это позволило впервые исследовать столкновение протонов рекордно высоких энергий с ядрами гелия, а не со встречными протонами. Тем самым, неожиданно для всех, коллаборация LHCb открыла новый раздел научной программы LHC: столкновения с неподвижной мишенью.

Эта экспериментальная возможность оказалась чрезвычайно полезной для... астрофизиков (см. подробный рассказ в нашей новости Необычный эксперимент на LHC поможет разобраться с загадкой космических антипротонов). Дело в том, что такой процесс реально происходит в межзвездной среде, когда сквозь нее летят протоны сверхвысоких энергий, ускоренные где-то в далеком космосе. В столкновениях могут рождаться и редкие для космоса гости — антипротоны. Они тоже достигают Земли и регистрируются современными спутниками, но они — вторичные продукты, их не испускал далекий космический объект. Поэтому, когда астрофизики измеряют долю антипротонов в космических лучах и хотят разобраться с их происхождением, им надо четко понимать, сколько антипротонов может возникнуть по пути. Неопределенность в сечении этого процесса препятствовала надежной интерпретации избытка космических антипротонов, который недавно обнаружил спутниковый детектор AMS-02 (см. рис. 2 в нашей новости).

Коллаборация LHCb может измерить сечение рождения антипротонов в этом процессе и их распределение по энергии. Предварительные результаты были представлены год назад на конференции Moriond 2017. На днях эта работа была завершена и появилась в архиве препринтов в виде полноценной статьи Measurement of antiproton production in pHe collisions at sqrt(s) = 110 GeV.

В работе использовался объем данных, соответствующий интегральной светимости 0,5 nb⁻¹. Это, конечно, в миллионы раз меньше светимости LHCb в обычном режиме, но для таких интенсивных процессов высокие светимости и не требуются. Все было зарегистрировано 34 млн протон-гелиевых столкновений, и в полутора миллионах случаев рождался антипротон (а также многочисленные другие частицы, которые в этом анализе не принимались во внимание). Такая солидная статистика позволила построить распределение сразу по двум кинематическим величинами: по полному импульсу рожденного антипротона и по его поперечному импульсу.

На рисунке показано распределение сечения по полному импульсу для событий с поперечным импульсом от 1,2 до 2,8 ГэВ. Также приведено сравнение с многочисленными теоретическими моделями, построенными для описания таких процессов и использующиеся при анализе спектров космических лучей. Обратите внимание, что теоретические модели строились вовсе не на пустом месте. В них было заложено то, что физики уже узнали из других подобных экспериментов, — и несмотря на это, предсказания для рождения антипротонов расходятся в 2–3 раза! Погрешность нового измерения LHCb не превышает 10%. Это означает, что уже сейчас можно обновить предсказания для спектра космических антипротонов (такие работы уже есть) и уточнить, является ли результат AMS-02 чем-то реально необычным, или же его можно списать на обычные астрофизические процессы.