При взаимодействии на коллайдере частиц высоких энергий образуется огромное количество разнообразных частиц. Этот процесс называется множественным рождением, а различные его характеристики предсказываются с помощью теории сильных взаимодействий – квантовой хромодинамики (КХД). Однако результаты последних подобных экспериментов на БАК (Большом Адронном Коллайдере) не совпадают с предсказаниями моделей, построенных по результатам прошлых экспериментов на других ускорителях. О возможных причинах этого несовпадения и открывающихся горизонтах новой экспериментальной физики высоких энергий на гинзбурговской конференции рассказал Ник Брук, профессор Университета Бристоля и один из ведущих специалистов в области изучения множественного рождения частиц.
Для идентификации рожденных частиц идеально подходит техника двух экспериментальных проектов, проходящих на БАК. Это проект ALICE (A Large Ion Collider Experiment), оптимизированный для изучения столкновений тяжелых ионов и LHCb, предназначенный для изучения B-мезонов, частиц содержащих «прелестный» кварк. А сама информация о рождении частиц является необходимым фундаментом для дальнейшего развития КХД. Комментирует Ник Брук: «Наблюдаемые распределения частиц характеризуют адронное состояние материи и являются чувствительными к лежащей в основе протон-протонных взаимодействий квантовой хромодинамике. ALICE, ATLAS и CMS уже измеряли распределения частиц в центральном регионе взаимодействия, а геометрия LHCb позволяет отследить динамику столкновений и в отдаленной области. Это дает нам столь необходимую информацию для развития моделей и улучшения Монте-карловских генераторов событий»
Квантовая хромодинамика возникла в 70-ых годах прошлого века, как микроскопическая теория, описывающая сильное взаимодействие на субадронных масштабах, в котором участвуют кварки, глюоны и составленные из них частицы – адроны (В том числе и связанные сильным взаимодействием протоны и нейтроны атомного ядра). Основной постулат квантовой хромодинамики приписывает всем кваркам особое квантовое число, называемое цветовым зарядом или цветом. Столь привычное слово не имеет ничего общего с обычными оптическими характеристиками, но зато лаконично подчеркивает тот факт, что кварки в природе встречаются лишь в виде бесцветных комбинации. Адронов, составленных из трех кварков (Вспоминаем аналогию – красный, зеленый и синий в сумме дают белый) или глюонов из кварка и антикварка с антицветом.
Предсказания КХД о параметрах множественного рождения частиц даются либо в аналитической форме, либо в виде численных компьютерных расчетов по моделям Монте-Карло, которые можно детально сопоставлять с экспериментальными данными. Эти модели называют генераторами событий в том смысле, что вероятность возникновения определенных явлений в этих компьютерных расчетах считается пропорциональной вероятности соответствующего события в реальном мире. Все эти модели хорошо работали в согласовании с прошлыми экспериментами на других ускорителях, и даже имели некую предсказательную силу, но с новыми результатами, полученными на БАК, они пока никак не совпадают. Комментирует Андрей Леонидов, профессор ФИАН и ведущий научный сотрудник сектора физики высоких энергий.
«Изучение множественного рождения при высоких энергиях это одна из фундаментальных физических проблем. И доклад Брука был посвящен массиву экспериментальной информации, которая была наработана на коллайдере LHC. Там ситуация сложилась очень интересная – имеющиеся модели не описывают многие существенные свойства событий. В типичной их конструкции как-то сшивается физика мягких адронных струй и жесткого адронного излучения, а сами они были откалиброваны, чтобы успешно описывать FNAL, предыдущий ускоритель. В результате, в этом докладе буквально не было ни одного графика, в котором теория совпала с новым экспериментом. То есть многие свойства множественного рождения современные модели не описывают вовсе»
Так профессор Брук рассказал о расхождениях предсказаний с реальными данными по возникновению частиц со «странными» кварками в составе или нарушениях в соотношении барионной и антибарионной материи. Но все эти нестыковки, как подчеркнул Брук, только развязывают исследователям руки и лишний раз показывают сложную структуру КХД. Ведь новые данные могут помочь в улучшении моделей генераторов событий, мягкого производства частиц, мультичастичных столкновений и многих других явлений. С оптимизмом английского физика согласен и Андрей Леонидов.
«Все предыдущие модели в новых экспериментах показали себя в разной степени неуспешными, и это создает интересное поле для изучения. Но ведь эти же модели не просто так собрали – это лучшее, что человечество может предложить на эту тему. Не то, что какие-то провинциальные люди что-то там написали и это по случайности используется на LHC. На LHC используется лучшее, что есть, и это лучшее пока работает неважно. А тема эта очень важна, потому что процессы множественного рождения постоянно происходят в коллайдере. Это доминирующие процессы с большим сечением. И они потенциально влияют на все остальные процессы, определяют их фон. Кроме того, это фундаментально и интересно. Так что ничего печального нет, ждем новых результатов!»
М. Петров, АНИ «ФИАН-Информ»
28.02.2013
