Детектор CMS зарегистрировал квантовые корреляции пи-мезонов

Рис. 1. Схема множественного рождения частиц в столкновении двух протонов высокой энергии. Если бы не было квантовых корреляций, частицы одного сорта (показаны красными стрелками) вылетали бы под произвольными, несвязанными друг с другом углами (верхний рисунок). На самом же деле благодаря бозе-эйнштейновским корреляциям частицы-бозоны одного сорта предпочитают вылетать в близких направлениях (нижний рисунок). Серыми стрелками показаны частицы всех остальных сортов. Сила корреляций на этих рисунках гипертрофирована для наглядности. (Рис. И. Иванова.)

Рождающиеся в высокоэнергетических столкновениях тождественные элементарные частицы помогают или мешают друг другу вылетать в одинаковых направлениях в зависимости от того, являются они бозонами или фермионами. Этот квантовый эффект в поведении пи-мезонов теперь измерен и на LHC.

На первых этапах работы Большого адронного коллайдера протонные столкновения происходят очень редко. Пока накопленная статистика слишком мала для детального изучения известных или открытия новых элементарных частиц, физики исследуют в основном общие характеристики многочастичного рождения в протон-протонном столкновении — сколько частиц рождается, как они распределены по быстроте, как они коррелируют друг с другом.

Один из пунктов в этом списке измерений — наблюдение бозе-эйнштейновских корреляций между пи-мезонами, вылетающими из места столкновения примерно в одинаковых направлениях. Как правило, в протон-протонном столкновении при высоких энергиях рождается несколько десятков адронов, которые разлетаются в разные стороны (в основном, это легчайшие адроны — положительные, отрицательные и нейтральные пи-мезоны). Их рождение происходит практически независимо друг от друга при адронизации сверхгорячего кварк-глюонного «пузырька», возникшего в месте столкновения протонов. В результате родившиеся частицы могут вылетать под самыми разными углами и с самыми разными импульсами.

Однако эта картина слегка изменится, если учесть тот факт, что пи-мезоны — бозоны. Это квантовое свойство означает, что пи-мезонам «нравится» быть ближе друг к другу. Благодаря этому свойству получается так, что два (или больше) пи-мезона одинакового заряда вылетают примерно в одинаковом направлении и с примерно одинаковыми импульсами чаще, чем при совершенно независимом их рождении (см. рис. 1). Подчеркнем, что этот эффект работает только для тождественных частиц; никакого усиления для пи-мезонов разных зарядов или для разных частиц одинакового заряда не наблюдается. Этот эффект — непосредственная проверка того факта, что пи-мезоны являются бозонами.

Кстати, лазеры тоже работают благодаря этому эффекту, правда многократно усиленному внутри резонатора. Фотоны — тоже бозоны, и если атом вещества «готов» испустить свой фотон, то он, скорее всего, это сделает в направлении, в котором уже и так летит много фотонов.

Описанный выше эффект был впервые зарегистрирован более 50 лет назад и с тех пор неоднократно проверялся на разных коллайдерах. Его регистрация на LHC тоже представляет интерес. Величина таких квантовых корреляций должна меняться с энергией столкновений и с количеством рожденных частиц, поэтому ее измерение будет полезно для уточнения теоретических моделей многочастичного рождения.

На днях в архиве электронных препринтов появилась статья коллаборации CMS, в которой сообщается о первом измерении этих корреляций на Большом адронном коллайдере. Статистика для этого анализа была набрана в декабре 2009 года — в анализе использовалось 270 тыс. событий при энергии 0,9 ТэВ и 13 тыс. событий при энергии 2,36 ТэВ, прошедших предварительный отбор.

Следует отметить, что, как и при всяком другом измерении в физике элементарных частиц, при анализе этих данных потребовалось проявлять осторожность. Любой инструмент, в том числе и детектор, вносит свои искажения и обладает своими погрешностями. Однако благодаря ранним сеансам работы физики всех коллабораций уже хорошо понимают инструментальные характеристики своих детекторов.

Кроме того, в данном измерении надо было четко отстраниться от двух физических эффектов, которые могли бы исказить правильную интерпретацию данных. Первый эффект — это электрическое отталкивание одноименных зарядов, которое испытывают два идентичных пи-мезона, вылетающих примерно в одинаковом направлении. Этот эффект приводит к кажущемуся размытию распределения по относительным импульсам, которое не связано с бозе-эйнштейновскими корреляциями. К счастью, этот эффект легко вычисляется, и его можно «вычесть» из данных.

Второй эффект касается вылета пи-мезонов с противоположными зарядами (этот процесс служит «эталоном» нескоррелированного рождения). Такие пары могут рождаться не только независимо, но и как результат распада какой-то другой частицы, например, ро-мезона. В этом случае пи-мезоны разного знака будут автоматически лететь близко друг к другу, хотя никакой бозе-эйнштейновской корреляции между ними нет. Однако такой механизм работает только в узком «окне» относительных импульсов между частицами, и поэтому для устранения этого нежелательного эффекта достаточно не включать в анализ «опасные» области импульсов.

Рис. 2. Усиление частоты вылета пар пи-мезонов по сравнению с нескоррелированным случаем в зависимости от величины Q, характеризующей относительный импульс пары. Рис. из обсуждаемой статьи коллаборации CMS

После учета всех этих эффектов и погрешностей оказалось, что, когда относительный импульс пары пи-мезонов становится меньше 100 МэВ, частота вылета пи-мезонов одинакового заряда увеличивается примерно на 50-70% по сравнению с нескоррелированным вылетом (см. рис. 2). Параметры этого усиления были измерены для разных энергий и для разного числа рожденных частиц. Эти результаты (вкупе с будущими результатами при полной энергии 7 ТэВ) дадут теоретикам новую информацию о том, как протекает массовое рождения частиц в процессе адронизации при недоступных ранее энергиях.

Источники:
1) CMS Collaboration. Measurement of Bose-Einstein correlations with first CMS data // препринт arXiv:1005.3294 [hep-ex].
2) A. Gideon. Bose-Einstein and Fermi-Dirac Interferometry in Particle Physics // Rep. Prog. Phys. 66, 481 (2003) — обзорная статья по корреляции тождественных частиц в ускорительных экспериментах. Полный текст свободно доступен в архиве е-принтов.

Игорь Иванов