На Большом адронном коллайдере измерили силу взаимодействия протонов с φ-мезонами
Коллаборация ALICE, работающая на Большом адронном коллайдере, впервые измерила силу взаимодействия протона с φ-мезоном. Это взаимодействие оказалось притягивающим. Результаты помогут разобраться в свойствах конденсатов полей в вакууме квантовой хромодинамики, которые влияют на свойства всех сильновзаимодействующих частиц. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Понятие вакуума в квантовой хромодинамике очень далеко от пустого пространства, в котором ничего не происходит. В вакууме глюонные и кварковые поля флуктуируют, и эти флуктуации оказывают влияние на свойства наблюдаемых сильновзаимодействующих частиц — адронов. Сами же адроны можно рассматривать как возбуждения над кварковым и глюонным конденсатами.
Свойства вакуума могут измениться в очень горячей или плотной среде и, в частности, вакуум внутри атомного ядра отличается от вакуума снаружи — величины флуктуаций глюонного и кварковых полей меняются. Различия в свойствах конденсатов приводят к различиям в динамике адронов, которую можно исследовать экспериментально. Из сравнения параметров сильновзаимодействующих частиц внутри и снаружи ядерного вещества можно вывести различия в свойствах вакуума. Этот способ очень полезен, потому что физику хромодинамического вакуума почти невозможно исследовать теоретически, так как теория возмущений — основной метод проведения вычислений в квантовой теории поля — неприменима к таким задачам.
Для исследования свойств вакуума внутри атомного ядра удобно измерять параметры взаимодействия очень короткоживущих адронов, чтобы родившись в ядре, такая частица успела там же и распасться, провзаимодействовав только внутри ядерного вещества. Одним из таких адронов является φ-мезон, состоящий из s-кварка и его античастицы. Время жизни φ-мезона в вакууме составляет приблизительно 1,5 × 10-22 секунды, тогда как внутри ядра оно примерно на порядок меньше.
Коллаборация ALICE, работающая на Большом адронном коллайдере, представила результаты измерения силы взаимодействия φ-мезона и протона в вакууме. Потенциал извлекался из анализа данных рассеяния протонов и φ-мезонов. Данные набирали в течение второго сезона работы коллайдера.
Мезоны рождались в столкновениях протонов с суммарной энергией в системе центра масс равной 13 тераэлектронвольт. Так как φ-мезоны очень короткоживущие, то регистрировались продукты их распада, а именно пары каонов. Всего ученые проанализировали примерно 5 × 108 актов рассеяния φ-мезонов на протонах (а также антипротонах). Данные рассеяния физики фитировали с помощью потенциалов Юкавы и Гаусса. Знаки обоих потенциалов оказались отрицательными, то есть частицы притягиваются. Характерным масштабом длины, входящей в выражения для потенциалов, оказался фемтометр. Вещественная и мнимая части длины рассеяния равны 0,85 ± 0,34 (stat) ± 0,14 (syst) фемтометра и 0,16 ± 0,10 (stat) ± 0,09 (syst) фемтометра, соответственно. Вещественная часть отличается от нуля на 2,3 стандартных отклонения, а мнимая часть равна нулю в рамках экспериментальной погрешности, что означает, что основной вклад в амплитуду вносит упругое рассеяние.
Точность измерения оказалась достаточно низкой, и экспериментаторы надеются, что данные, которые будут собраны за третий и четвертый сезоны работы коллайдера, помогут существенно уточнить их результат. Также ученые расчитывают, что аналогичные величины будут измерены для взаимодействия φ-мезонов и протонов в ядерном веществе, что поможет лучше понять структуру вакуума хромодинамики.
Ранее мы писали о том, как ученые вычислили вакуумный вклад в массу протона.
Андрей Фельдман
Статистическая значимость наблюдения составила около семи стандартных отклонений
В эксперименте SND@LHC на Большом адронном коллайдере зарегистрировали мюонные нейтрино со статистической значимостью около семи стандартных отклонений. Это второй эксперимент на Большом адронном коллайдере, который сообщил о надежной регистрации нейтрино. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Нейтрино — элементарная частица, которая обладает крайне малой массой и слабо взаимодействует с веществом. При этом она играет важную роль в физике. До недавнего времени свойства нейтрино изучали в основном в области низких или сверхвысоких энергий, и широкий диапазон от 350 гигаэлектронвольт до 10 тераэлектронвольт оставался неизученным. Наземным источником нейтрино в этом диапазоне энергий является Большой адронный коллайдер. Однако проблема заключается в том, что большая часть рождающихся в нем нейтрино летит вдоль протонного пучка — в слепой зоне основных детекторов, расположенных на коллайдере. Кроме того, из-за малого сечения взаимодействия, нейтринные события сложно выделить на фоне громадной загрузки детекторов от взаимодействий других частиц. Мы недавно писали, что с этой задачей справился эксперимент FASER, впервые зарегистрировав 153 мюонных нейтрино со статистической значимостью 16 стандартных отклонений. Физики из эксперимента SND@LHC сообщили, что им также удалось зарегистрировать мюонные нейтрино со статистической значимостью около семи стандартных отклонений. В отличие от эксперимента FASER, который регистрирует нейтрино с псевдобыстротами более 8,5, чувствительная область SND@LHC сдвинута от основной оси ускорителя, в результате чего он покрывает диапазон псевдобыстрот от 7,2 до 8,4. В этой области одним из основных источников нейтрино являются распады очарованных адронов, вклад которых в эксперименте FASER пренебрежимо мал. Детектор состоит из мюонного вето, 830-килограммовой мишени и адронного калориметра. Основная мишень поделена на пять слоев, каждый из которых включает вольфрамовую пластину, ядерную фотоэмульсию и электронный трекер. Данные с фотоэмульсий на данный момент еще обрабатываются, поэтому ученые провели анализ данных, набранных только при помощи электронных трекеров. Физики отобрали 8 событий по их геометрическому расположению в детекторе и сигнатуре, соответствующей ожидаемой от мюонных событий. При этом ожидаемый фон составил 0,086 события. Такое превышение сигнала над фоном исключает нулевую гипотезу на уровне 6,8 стандартного отклонения. Количество нейтринных событий в эксперименте оказалось больше ожидаемых 4,2 события. Однако результаты согласуются с предсказанием на основе компьютерного моделирования в рамках полученных ошибок. Большой адронный коллайдер становится новым инструментом для изучения нейтрино в пока плохо изученной области энергий. О том, какие новые технологии используют при изучении нейтрино в области низких энергий мы беседовали с Дмитрием Акимовым, представителем коллаборации COHERENT.