Все существующие в мире коллайдеры (ускорители на встречных пучках) можно разбить на несколько групп в соответствии с тем, какие частицы разгоняются и сталкиваются друг с другом:
- электрон-позитронные коллайдеры;
- электрон-протонные коллайдеры;
- адронные (протон-протонные, протон-антипротонные, ядерные) коллайдеры.
Эксперименты на адронных коллайдерах, к которым относится и LHC, имеют ряд особенностей, о которых полезно рассказать отдельно.
Как выглядит типичное протон-протонное столкновение
Протон — составная частица; он состоит из трех кварков (двух u-кварков с электрическим зарядом +2/3 и одного d-кварка с зарядом –1/3), которые скреплены вместе глюонным полем. Однако если протон летит со скоростью, очень близкой к скорости света, то глюонное поле в нём перестает быть просто связывающей силой, но материализуется в виде потока частиц — глюонов, — которые летят рядом с кварками. Можно считать, что быстро летящий протон состоит из перемешанных друг в друге глюонных, кварковых и даже антикварковых «облаков» — партонных плотностей.
При очень больших энергиях протон оказывается заполненным в основном глюонами, а кварков и антикварков в нём заметно меньше. Протоны и антипротоны в таких условиях выглядят практически одинаково, и поэтому нет особой разницы, что сталкивать — протоны с протонами (как на LHC) или протоны с антипротонами (как на коллайдере Тэватрон).
(Подробнее про партонные плотности в протоне)
Когда два протона сталкиваются лоб в лоб, то это вовсе не значит, что каждый партон обязательно ударяется обо что-то внутри встречного протона. Обычно всё происходит проще — один кварк из одного протона сталкивается с кем-то из встречного протона, а остальные партоны просто пролетают мимо.
Столкнувшиеся друг с другом партоны получают сильный «удар», выбивающий их из родительских протонов. Однако глюонное поле обладает важным свойством — конфайнментом, который не позволяет кваркам улететь просто так. Вместо этого происходит адронизация — энергия удара тратится на рождение многочисленных адронов. Именно из-за адронизации протон-протонное столкновение так сильно отличается от электрон-позитронного. В этом процессе партоны-«наблюдатели» уже принимают самое активное участие.
(Подробнее про конфайнмент и процесс адронизации)
Как правило, удар по партону получается в основном продольный, а не поперечный. В результате адроны рождаются преимущественно с большими продольными и маленькими поперечными импульсами. Из-за этого типичное протон-протонное столкновение выглядит примерно так:
В типичном протон-протонном столкновении при высоких энергиях рождается множество адронов. Угловое распределение их разлета не изотропно, а «прижато» к оси столкновений. (Рис. И. Иванова) Здесь схематично показан процесс множественного рождения адронов. Каждый адрон отмечен отдельной стрелкой, причем длина стрелки примерно соответствует импульсу адрона. В результате адроны разлетаются не изотропно во все стороны, как как бы прижаты к оси столкновения.
Изредка происходит особенно жесткий процесс, при котором столкнувшиеся партоны получают сильный поперечный удар. Эти партоны вылетают с большим поперечным импульсом, и последствия адронизации в этом случае выглядят так:
Иногда происходит жесткое столкновение, и тогда кроме стандартного адронного фона вылетают узкие потоки высокоэнергетических адронов — адронные струи. (Рис. И. Иванова) Рожденные адроны группируются как вдоль оси столкновения, так и вокруг направления вылета жесткого партона. Поток адронов, вылетающих примерно в одинаковом направлении, называется адронной струей.
Кроме жесткого рассеяния двух партонов, существуют и другие механизмы рождения струй. Так, в столкновении двух партонов лоб в лоб может родиться очень тяжелая частица (например, Z-бозон), которая затем распадается на два кварка, а они уже порождают струи. Собственно, изучение событий со струями — это и есть один из методов поиска тяжелых нестабильных частиц. Наблюдаются также и многоструйные события.
Кинематика протон-протонных столкновений
Поскольку партонов внутри протона много, каждый партон несет лишь небольшую долю всей энергии протона. Из-за этого полная энергия столкновения двух партонов получается заметно меньше, чем номинальная энергия протон-протонного столкновения. Например, когда на LHC два протона сталкиваются с энергией 7+7 ТэВ, происходят процессы столкновения партонов, скажем, с энергиями 1+2 ТэВ, или 0,5+0,3 ТэВ, или 0,2+0,05 ТэВ и т. д.
Все эти столкновения происходят с некоторой частотой, причем чем меньше энергия, чем чаще они происходят. Именно поэтому увеличение энергии протонов приводит к резкому увеличению сечения многих интересных процессов столкновения. Например, на протон-антипротонном коллайдере Тэватрон тоже происходят столкновения двух партонов с энергией 0,5+0,3 ТэВ, но на LHC они будут происходит на порядки чаще.
Из-за того, что распределение частиц не изотропно, а прижато к осям, кинематику частиц на адронных коллайдерах удобно описывать с помощью переменных «быстрота–угол». В таких переменных удобно выделяются разные типы процессов, происходящих в протонных столкновениях.
(Подробнее про диаграмму быстрота-угол и ее использование для анализа событий)
Трудности изучения протон-протонных столкновений
В изучении протон-протонных столкновений есть две главные трудности: одна экспериментальная и одна теоретическая.
- В каждом столкновении рождается слишком много частиц. Некоторые из них при этом вообще не попадают в детектор, а «улетают в трубу», так что разобраться в этой мешанине очень трудно.
- Теоретики умеют хорошо рассчитывать процессы с отдельными кварками или глюонами, но описать адронизацию из первых принципов пока не удается. Адронизацию приходится учитывать с помощью численного моделирования, и поэтому связь между теорией и экспериментом не столь непосредственна, как, например, в электрон-позитронных столкновениях.
Однако есть несколько приемов, позволяющих в этой ситуации всё же узнать немало нового.
Во-первых, не все рожденные частицы одинаково «интересны». Самую важную информацию несут частицы с большим поперечным импульсом, то есть струи. Углы вылета и энергия струй «помнят» то жесткое столкновение между кварками или глюонами, которое их породило. Изучая свойства струй, экспериментаторы могут нащупать более тесную связь с теорией.
Во-вторых, иногда помимо адронов рождаются и другие частицы с большой энергией — электроны, мюоны, фотоны. Эти частицы не участвуют в сильном взаимодействии, поэтому адронизации им не мешает. Отбирая события с такими частицами, можно изучать гораздо более редкие процессы, чем в исключительно адронных событиях.
(Подробнее про разнообразные методы анализа событий в адронных коллайдерах)