Pengesan CMS mengesan korelasi zarah yang luar biasa • Igor Ivanov • Berita Sains mengenai "Unsur" • LHC, Pengesan CMS, Properties Hadron, Fizik

CMS mengesan korelasi zarah yang luar biasa

Rajah. 1. Satu jejak biasa yang meninggalkan acara itu dengan kelahiran beratus-ratus hadrons. Imej dari siaran akhbar CERN

Pengesan CMS menemui fenomena baru dalam perlanggaran proton pada tenaga yang tinggi – korelasi zarah yang dikeluarkan dalam arah yang sangat berbeza. Kesan yang sama diperhatikan dua tahun lalu dalam perlanggaran nuklear, tetapi belum diketahui sama ada kedua fenomena ini mempunyai asal yang sama.

Apakah intipati penemuan?

Pada 22 September, artikel oleh Kolaborasi CMS, yang bekerja di salah satu pengesan utama Hadron Collider Besar, muncul dalam arkib pra-pengecilan elektronik, mengumumkan penemuan fenomena baru dalam perlanggaran proton. Sebelum menerangkan secara terperinci, ia harus ditekankan bahawa penemuan penemuan adalah berbeza. Pada tahap kerja Collider Hadron Besar, keupayaan rasuk proton masih kecil dan statistik semakin perlahan. Oleh itu, tiada zarah asas atau interaksi yang dijangka belum lagi dijangka; mereka akan diburu kemudian. Walau bagaimanapun, data sudah cukup untuk meneliti secara terperinci perilaku "biasa" zarah yang dilahirkan dengan banyaknya di LHC.Memandangkan Large Hadron Collider telah memasuki kawasan tenaga baru yang belum diterokai, baru fenomena dinamikyang semata-mata tidak terdapat untuk pemecut yang lebih lemah sebelumnya. Pembukaan CMS adalah semacam ini, dan ia tidak sepatutnya dikaitkan dengan "tidak dapat diterangkan", seperti yang dilakukan oleh beberapa media.

Inti penemuan ini terletak pada fakta bahawa zarah-zarah yang dilahirkan dalam proton dan bertaburan dalam arah yang sangat berbeza, berkorelasi – iaitu, bersikap dengan cara yang sama, dan tidak sepenuhnya secara bebas. Fenomena yang sama telah ditemui dua tahun yang lalu dalam pertembungan nukleus berat, dan dia telah ditawarkan penjelasan teoritis (lihat di bawah). Walau bagaimanapun, hakikat bahawa ia mula muncul dalam perlanggaran proton agak tidak dijangka. Ini bermakna perlanggaran proton pada tenaga yang sangat tinggi agak serupa dengan perlanggaran nuklear. Dan kesimpulan ini, pada gilirannya, mencadangkan bahawa hadron bertembung dengan tenaga super lebih serba bolehdaripada kelihatannya pada pandangan pertama.

Apa yang dikatakan korelasi

Korelasi – iaitu persamaan sistematik beberapa ciri dalam objek berbeza – biasanya tidak menarik dalam diri mereka, tetapi sebagai cara untuk melihat sesuatu yang tersembunyi dari mata kita. Ini boleh dijelaskan dengan contoh kehidupan sedemikian.Bayangkan, sambil belajar pangkalan data pelanggan, anda dapati bahawa dua orang yang berbeza adalah "berkorelasi dengan tempat kediaman": mereka bukan hanya tinggal di alamat yang sama, tetapi juga bergerak dari tempat ke tempat yang bersamaan. Pemerhatian ini dengan serta-merta akan membawa anda kepada gagasan hubungan antara dua orang ini – hubungan sama ada dengan "asal" (ibu bapa dan anak) atau "diperoleh" (pasangan). Dalam dirinyakira-kiraWalau bagaimanapun, mungkin tidak terdapat petunjuk langsung tentang hubungan dengan pangkalan data – anda meneka dengan melihat corelasi.

Ahli fizikal mencari hubungan dalam tingkah laku zarah asas yang dilahirkan dengan matlamat yang sama – untuk memahami sama ada zarah-zarah ini dihubungkan dengan sesuatu yang biasa atau tidak. Sambungan ini boleh sama ada "asal" (contohnya, dua zarah dilahirkan serentak apabila zarah "ibu" merosot) atau "diperoleh" (zarah dilahirkan secara bebas, tetapi kemudian disegerakkan pergerakan mereka melalui interaksi antara satu sama lain). Kedua-dua itu dan yang lain boleh memberitahu ahli fizik banyak perkara yang menarik tentang bagaimana kelahiran zarah meneruskan secara umum dan, akhirnya, bagaimana fungsi dunia kita.

Rajah. 2 Sudut berlepas zarah dalam pengesan silinder (di sebelah kiri: imej dalam unjuran selari, di sebelah kanan: melihat sepanjang paksi perlanggaran). Sudut kutub θ mengukur sisihan dari paksi pelanggaran, sudut azimut φ menandakan arah ke sisi. Sebagai contoh, dalam contoh, dua zarah ditunjukkan dalam warna yang berbeza dengan perbezaan sudut θ yang besar dan perbezaan sudut kecil φ. Rajah I. Ivanova

Kerjasama CMS mendapati bahawa zarah-zarah yang dilahirkan dalam proton perlanggaran kadang-kadang dihubungkan dengan sudut azimut, walaupun sudut polarnya sangat berbeza (lihat Rajah 2 dengan penjelasan geometrik). Kesimpulan ini dibuat atas dasar analisis statistik perlanggaran dengan jumlah tenaga 7 TeV, yang diperolehi selepas satu set keterpencilan integral 1 piksel terbalik. Dalam perlanggaran depan yang tipikal dua proton dengan tenaga yang tinggi, pelbagai hadr yang dilahirkan (lihat Rajah 1), yang terbang dari tapak perlanggaran ke arah yang berbeza (untuk penerangan terperinci, lihat halaman di Eksperimen di Hadron Colliders). Pengeksperimen mengambil peristiwa sedemikian satu demi satu dan melihat melalui semua pasangan zarah yang dihasilkan. Bagi setiap pasangan, mereka mengira perbezaan antara sudut azimut Δφ dan antara kelajuan Δη (kelajuan – ini adalah cara yang berbeza untuk mewakili sudut kutub θ; lihatbutiran pada gambarajah halaman "sudut kelajuan"). Kemudian, untuk diberikan Δφ dan Δη, berdasarkan semua statistik, fungsi korelasi R dikira, yang mencirikan perbezaan antara data dan pengedaran sepenuhnya rawak. Akhirnya, nilai R ini dibina sebagai graf tiga dimensi dengan Δφ dan Δη berbeza.

Rajah. 3 Koefisien korelasi sepasang zarah bergantung kepada perbezaan di antara mereka di sudut Δφ dan kelajuan Δη. Di sebelah kiri: "kelegaan" yang biasa apabila disusun atas semua perlanggaran; di sebelah kanan: "bantuan" dalam pemilihan hanya perlanggaran dengan kepelbagaian yang tinggi (sekurang-kurangnya 110 zarah dilahirkan). Pada grafik yang betul anak panah merah ciri baru ditunjukkan – ketinggian kecil, tetapi "rabung" panjang dengan Δφ = 0. Imej dari artikel yang sedang dibincangkan

Dalam ara. 3 menunjukkan dua graf sedemikian yang diperoleh oleh CMS. Kedua-dua gambar itu sesuai dengan kes ketika hanya zarah yang tidak terlalu banyak momenta melintang – dari 1 hingga 3 GeV – digunakan untuk menghitung korelasi. Kesan yang dijelaskan dapat dilihat untuk zarah-zarah tersebut; dengan lebih kurang impuls, ia sudah tidak kelihatan. Gambar di sebelah kiri sepadan dengan keadaan apabila hampir semua perlanggaran digunakan untuk pemprosesan (ini adalah persampelan yang dipanggil dengan pemilihan minimum, "MinBias"). Terdapat dua "ciri bantuan" standard pada gambar ini yang sangat khas.Yang pertama ialah puncak yang mendekati Δφ = 0 dan Δη = 0, yang bermaksud bahawa zarah-zarah yang berdekatan adalah berkorelasi. Yang kedua ialah "rabung jauh" yang lemah di dekat Δφ = π. Ia bertindak balas terhadap zarah-zarah yang terbang ke arah yang bertentangan; korelasi ini juga merupakan keadaan biasa (lihat contoh penjelasan mengenai jet hadronic).

Walau bagaimanapun, sebagai CMS ditemui, jika tidak semua peristiwa dipilih untuk diproses, tetapi hanya di mana banyak zarah dilahirkan (110 dan lebih), maka "elemen bantuan" tambahan muncul pada graf – sejenis "rabung dekat" di Δφ = 0 dalam julat yang cukup luas Δη. Dalam ara. 3 di sebelah kanan, ia ditunjukkan oleh anak panah merah. Ridge ini tidak kelihatan terlalu tinggi pada graf, tetapi kehadirannya secara signifikan secara statistik, dan ia menunjukkan kehadiran korelasi di sudut azimut, walaupun bagi zarah "jauh" daripada satu sama lain.

Pemerhatian ini menarik kerana korelasi tersebut tidak boleh "diperoleh". Zarah-zarah yang dilahirkan berselerak antara satu sama lain pada kelajuan cahaya yang dekat, dan dalam masa yang singkat, apabila arah penerbangan mereka dirumuskan, mereka tidak mempunyai masa untuk bertukar maklumat dan menyegerakkan pergerakan mereka. Ini bermakna korelasi itu harus "permulaan", dan ini agak luar biasa dalam keadaan ini.

Percubaan pada penjelasan teoritis

Untuk lebih baik merasakan "semangat" tingkah laku zarah tersebut, adalah berguna untuk mengingati bagaimana zarah umumnya dilahirkan dalam perlanggaran proton-proton. Ini tidak berlaku sekaligus. Setelah menyentuh antara satu sama lain, dua proton yang akan datang menjadi satu gumpalan medan "teruja" (ia sering dipanggil "bola api"), di mana quark, antiquark dan gluon bercampur. Benjolan ini, pada mulanya sangat panas dan sangat padat, masih tidak terdiri daripada hadrons individu – ia hanya campuran medan quark dan gluon. Walau bagaimanapun, selepas beberapa saat (atau sebaliknya, selepas beberapa yoctoseconds), ia berkembang dengan pesat, menyejukkan, dan kemudiannya jatuh ke dalam had-had individu – "penurunan" bahan quark-gluon yang kurang stabil dan bebas.

Ahli teori telah mengkaji proses ini selama kira-kira setengah abad. Malangnya, ia adalah sangat rumit, dan evolusinya dari masa ke masa tidak dapat dikira dengan ketat berdasarkan persamaan awal pergerakan kuar dan gluon. Oleh itu, kebanyakan model adalah deskriptif semata-mata dan berdasarkan analogi dengan termodinamik dan fizik statistik. Model sedemikian mempunyai satu ramalan yang penting: hadrons, "materializing" dari bahagian yang berlainan dari bekuan panas ini, dilahirkan dan terbang. apa sahajadan oleh itu tidak bertentangan.Dan hanya zarah-zarah yang dilahirkan dari satu bahagian beku panas mempunyai korelasi – kecenderungan untuk terbang dalam satu arah. (Perhatikan bahawa zarah-zarah tersebut juga mempunyai korelasi tambahan kuantum, yang mana kita telah menulis di dalam berita. Pengesan CMS telah mencatatkan korelasi kuantum pi-mesons.)

Gambar yang diterangkan di atas selalu kelihatan sangat semula jadi, dan ramalannya telah disahkan pada makhluk hadron sebelumnya. Tetapi tidak ada ruang bagi korelasi jarak jauh yang dijumpai oleh kerjasama CMS. Oleh itu, kita perlu membuat satu kesimpulan: model-model yang digunakan selama setengah abad tidak mengambil kira mekanisme baru yang melibatkan banyak zarah dan menghasilkan korelasi mereka pada mulanya, tepat pada masanya.

Apakah jenis mekanisme ini? Ada kemungkinan bahawa jawapan kepada para ahli teori sudah diketahui. Hakikatnya adalah bahawa fenomena yang terdapat di CMS tidak datang sebagai kejutan yang lengkap kepada penguji. Lebih-lebih lagi, dia dicari secara sengaja, kerana kesan yang sangat serupa telah ditemui dua tahun lalu di perlanggaran nukleus di collider RHIC.Dalam perlanggaran nuklear, terlalu banyak zarah dilahirkan, dan dalam pelanggaran kepala, mereka berubah jauh lebih banyak daripada ketika inti sedikit menyentuh tepi masing-masing. "Ridge" dalam data RHIC boleh dilihat hanya pada perlanggaran yang cukup tengah. Ini bermakna bilangan zarah (yang dikenali sebagai "kepelbagaian") adalah ciri utama. Rupa-rupanya, dalam peristiwa dengan kepelbagaian yang sangat tinggi – sama ada proton-proton atau perlanggaran nuklear – beberapa jenis mekanisme umum yang terlibat, yang membawa kepada korelasi.

Dalam kes pelanggaran nuklear, ahli teori menawarkan penjelasan ini tentang "rabung" ini. Nuklei terbang dengan kelajuan cahaya hampir meratakan jauh di arah membujur dan kelihatan lebih seperti "pancake" daripada bola. Pada momen pertama selepas perlanggaran, dua pancake-core secara literal terbang antara satu sama lain. Walau bagaimanapun, perlanggaran tidak berlaku untuk mereka tidak dapat dilihat, dan di dalam ruang di antara mereka terdapat keadaan keadaan yang sangat istimewa, yang telah menerima nama "glazma". Ini belum lagi mempunyai had, dan bukannya gumpalan panas medan, yang dibahas di atas, ini adalah jenis keadaan awal, yang mana kemudiannya berkembang seketika sekumpulan quark dan gluon.

Pengiraan teori menunjukkan bahawa mata mempunyai keanehan yang menarik – medan kekuatan gluon meregangkan antara dua teras terbang dalam bentuk tabung membujur panjang (lihat Gambar 4). Setiap tiub sedemikian meluas dalam julat yang agak besar ke atas sudut kutub, tetapi mempunyai sudut azimut yang lebih atau kurang tetap. Tiub ini ternyata memanjang sepanjang hanya kerana zarah bergerak ke arah ini. Apabila ia akhirnya pecah menjadi zarah, mereka betul pada saat lahir berkorelasi secara automatik sudut azimut.

Rajah. 4 Perwakilan skematik dua nukleus ultrarelativistik sebelum dan selepas perlanggaran. Pada momen pertama selepas perlanggaran, satu "sayap" terbentuk, dan rentetan bidang gluon terbentang antara kedua-dua nuklei terbang. Koyak, mereka menjana zarah yang sudah berkorelasi di sudut azimut. Imej dari kuliah L. Maclerran di Sekolah Musim Panas Baikal 2010

Pada pandangan pertama, kesan ini mencadangkan dirinya untuk menerangkan "berhampiran rabung" dalam perlanggaran proton yang dikesan oleh CMS. Tetapi untuk tergesa-gesa untuk kesimpulan di sini, tentu saja, tidak berbaloi.Proton bukan nukleus, dan pengalaman dalam kajian interaksi yang kuat menunjukkan bahawa kesan yang timbul daripada perlanggaran proton dan dalam perlanggaran nukleus, sebagai peraturan, adalah berbeza. Oleh itu, kedua-dua pengiraan teori terperinci diperlukan, yang akan mengesahkan bahawa mekanisme ini berfungsi dalam perlanggaran proton di LHC, serta data eksperimen baru di mana kesan baru akan dikaji dengan lebih teliti. Tidak mungkin untuk mengecualikan keadaan setakat ini bahawa dalam proton pelanggaran kesan ini mempunyai asal yang berlainan daripada dalam perlanggaran nukleus – dan perkembangan sedemikian akan sangat menarik, tentu saja. Pengeksperimen sendiri tidak menyatakan sebarang pendapat mengenai skor ini, jadi ia tetap menunggu artikel teori menerangkan korelasi.

Akhirnya, ia mungkin berlaku selepas analisis yang lebih teliti, "rabung" tidak akan hilang, tetapi tidak lagi kelihatan luar biasa. Maksudnya ialah kesimpulan bahawa kesan yang dijelaskan baru diperoleh bukan hanya dari data itu sendiri, tetapi dari perbandingan data dengan hasil simulasi berangka Monte Carlo. Dalam pakej perisian Pythia8 khas yang digunakan untuk ini, fizik, tentu saja, cuba memodelkan proses pengeluaran zarah sebanyak mungkin.Walau bagaimanapun, sudah diketahui bahawa program ini tidak mengambil kira semua ciri mengubah quark menjadi hadrons, dan kemungkinan bahawa selepas pelarasan itu akan dapat menghasilkan semula kesan CMS. Di sini, perkataan itu kekal untuk pakar dalam simulasi angka pelanggaran.

Sumber: Kerjasama CMS. Pemerhatian Perlanggaran Proton-Proton di LHC / Preprint arXiv: 1009.4122 [hep-ex] (21 September 2010).

Lihat juga:
Kenyataan akhbar rasmi CERN dan terjemahannya ke dalam bahasa Rusia.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: