Результаты работы LHC в 2010 году

Набор статистики

30 марта 2010 года на Большом адронном коллайдере начались столкновения протонов с полной энергией 7 ТэВ. Именно на этой энергии запланированы работы вплоть до конца 2011 года. В течение всего 2010 года в коллайдере постепенно наращивалась интенсивность протонных пучков — как за счет увеличения количества сгустков в пучке, так и за счет повышения интенсивности каждого сгустка до номинального значения (100 млрд протонов в сгустке). Вместе с увеличением интенсивности пучков росла и светимость коллайдера, а значит, росла и статистика столкновений, набранная детекторами. На рис. 1 показан рост интегральной светимости вплоть до 25 августа; другие подобные графики можно найти на странице LHC Luminosity Plots.

Рис. 1. Рост интегральной светимости, набранной на четырех основных детекторах LHC, с течением времени. По горизонтальной оси отложен порядковый день года, по вертикальной — светимость в обратных нанобарнах. Изображение с сайта lpc.web.cern.ch

К моменту окончания работы с протонными пучками пиковое значение светимости достигало 2·10³² см^–2·с^–1, полная накопленная светимость достигла почти 50 pb^–1.

Начиная с 1 июля детектор ALICE работает в режиме «low pile-up», из-за чего светимость в нём была примерно на порядок меньше, чем в остальных детекторах. В этом режиме работы пучки специально слегка «разводятся» перед столкновениями, в результате чего они не полностью проходят друг сквозь друга, а лишь задевают друг друга хвостами. Благодаря этой операции можно избавиться от так называемого «эффекта нагромождения» (pile-up), когда при одном пересечении сгустков происходят сразу несколько не связанных друг с другом протон-протонных столкновений и рожденные в них частицы «накладываются» друг на друга в детекторе. Если детектор «ищет» только редкие процессы, то ничего страшного в этом нет. Однако если детектор старается отследить все родившиеся частицы, как это делает ALICE, то эффект нагромождения будет вводить его в заблуждение.

Кроме того, 20 июля завершился первый этап работы эксперимента LHCf. Короткие сеансы работы модернизированной версии этого детектора еще запланированы в будущем.

Работа с ионными пучками

С 4 ноября по 6 декабря коллайдер работал с пучками не протонов, а ядер свинца. Ядра разгонялись до энергии 287 ТэВ (то есть 1,38 ТэВ в расчете на каждый нуклон); светимость столкновений достигала 3·10²⁵ см^–2·с^–1, а интегральная светимость, накопленная к концу сеанса, составила примерно 9 μb^–1. В наборе данных участвовало три детектора из четырех — ATLAS, CMS и оптимизированный для ядерных столкновений детектор ALICE.

Научные результаты

Поскольку статистика, набранная на LHC, всё еще остается очень небольшой, ни о каких громких открытиях в 2010 году говорить не приходится. Работу детекторов в течение этого времени можно охарактеризовать как «переоткрытие Стандартной модели». Во всё увеличивающейся статистике событий одна за другой проступают уже известные частицы. На рис. 2 для примера представлен очень показательный график — спектр инвариантных масс μ⁺μ^–-пар, найденных детектором CMS после набора интегральной светимости 1,25 pb^–1.

Рис. 2. Распределение μ⁺μ^– по инвариантной массе в данных детектора CMS. Изображение с сайта twiki.cern.ch

На этом графике показано, сколько μ⁺μ^–-пар с разной энергией было зарегистрировано детектором. Ровный фон отвечает обычному процессу рождения этих частиц при столкновении кварков и антикварков из сталкивающихся протонов. Резкий и узкий пик на этом фоне отвечает ситуации, когда вначале рождается нестабильная промежуточная частица, которая затем распадается на μ⁺μ^–-пару. На графике отлично видны пики, отвечающие известным элементарным частицам — легким мезонам (ρ, ω, φ), более тяжелым мезонам (J/ψ, Υ(1S) и их возбужденным состояниям ψ', Υ(2S), Υ(3S)), а также Z-бозону — частице-переносчику слабого взаимодействия. Положение и ширины этих пиков совпадают в пределах погрешностей с результатами более ранних экспериментов, что подтверждает аккуратность настройки детектора и надежность алгоритмов восстановления частиц.

Из графика можно оценить, что событий рождения отдельных мезонов найдено уже по нескольку десятков тысяч, а событий рождения Z-бозонов — несколько сотен. Максимальная инвариантная масса μ⁺μ^–-пары в набранной статистике составляет пока чуть больше 100 ГэВ. С ростом статистики этот график будет не только подниматься вверх, но и начнет простираться дальше вправо. Иными словами, детектор сможет заглянуть в область еще больших масс (вплоть до нескольких ТэВ) и тем самым проверить, нет ли там каких-то новых, неоткрытых еще частиц.

Вот краткий перечень результатов, полученных на LHC к сентябрю:

• при трех разных энергиях (0,9, 2,36 и 7 ТэВ) изучены инклюзивные характеристики протонных столкновений: количество рожденных адронов, их распределение по быстроте, бозе-корреляции мезонов, дальние угловые корреляции, вероятность остановки протона;
• были исследованы события рождения адронных струй;
• были обнаружены все основные адроны, а также W- и Z-бозоны — частицы-переносчики слабого взаимодействия;
• в ЦЕРНе были переоткрыты топ-кварки (до этого они наблюдались только на американском коллайдере Тэватрон);
• первые эксперименты по поиску различных экзотических частиц с большой массой (например, стабильных заряженных частиц, возбужденных кварков, некоторых суперсимметричных частиц) уже дали результаты, превосходящие возможности Тэватрона;
• получены ограничения на возможные контактные взаимодействия кварков;
• сразу несколькими способами было обнаружено обрабование кварк-глюонной плазмы в столкновении ядер.

22–28 июля 2010 года в Париже проходила международная конференция по физике элементарных частиц ICHEP-2010. На ней были представлены все основные результаты, полученные детекторами Большого адронного коллайдера к тому времени. Все доклады находятся в свободном доступе на сайте конференции. Кроме того, 6 августа на мини-конференции в ЦЕРНе эти же результаты были представлены в сжатом виде каждой из коллабораций.

Подробности некоторых конкретных результатов, полученных на LHC в 2010 году, можно найти в наших новостях:

• 22.04.2010. Опубликованы первые результаты столкновений на энергии 7 ТэВ.
• 31.05.2010. Детектор CMS зарегистрировал квантовые корреляции пи-мезонов.
• 24.07.2010. Результаты ALICE по асимметрии протонов и антипротонов ставят точку в давнем споре.
• 19.08.2010. Детектор ATLAS искал, но не нашел возбужденные кварки.
• 19.09.2010. Эксперимент LHCb представил первые данные по рождению прелестных мезонов.
• 22.09.2010. Детектор CMS обнаружил необычные корреляции частиц — пожалуй, самый интересный пока результат LHC.
• 2.10.2010 Поиск новых взаимодействий на детекторе ATLAS дал отрицательный результат.
• 25.10.2010 Детектор СMS улучшил ограничение ATLAS на существование контактных взаимодействий.
• 20.11.2010 Детектор ALICE приступил к изучению кварк-глюонной плазмы.
• 30.11.2010 Детектор ATLAS зарегистрировал дисбаланс струй в ядерных столкновениях.
• 3.12.2010 Коллаборации рассказали о первых результатах, полученных в ядерных столкновениях.