14 октября 2020

Эксперимент ATLAS обнаружил фотонный синтез лептонных пар в pp-взаимодействиях

ЦЕРН ЦЕРН

Эксперимент ATLAS, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), объявил об обнаружении рождения e+e– и μ+μ– в процессах фотонного синтеза, проходящего при взаимодействии протонов БАК. Экспериментаторам удалось измерить вероятности обоих процессов.

Каждый год эксперименты БАК – ATLAS и CMS, публикуют десятки работ о поисках новых частиц физики за пределами Стандартной Модели (СМ). Поиски новых частиц и фундаментальных взаимодействий ведутся по всем возможным направлениям. Экспериментаторы планомерно исследуют все уголки СМ. Одновременно с увеличением чувствительности к процессам Новой физики (НФ), появляется возможность обнаружить новые, очень редкие процессы СМ. Летом на конференции ICHEP-2020 эксперимент ATLAS сообщил об обнаружении лептонных пар, рожденных в процессе фотонного синтеза pp → p(γγ → l+l–)p(*), где l = {e, μ}, а под p(*) понимают протон, который, или рассеялся вперед, или превратился под действием электромагнитных сил в один из нуклонных резонансов (см. рисунок 1). В начале октября вышел препринт статьи, посвященной этим измерениям.

Чем же интересно изучение подобных процессов? Дело в том, что такие измерения позволяют «зацепить» сильное взаимодействие протонов, испустивших фотоны, и вычислить вероятность того, что протон не развалится (вероятность выживания протона в мягком процессе, soft-survival probability, Ssurv.). Эта величина пока точно не известна для энергий БАК. Её измерение существенно уменьшит систематические погрешности исследований феноменов СМ и НФ для ультрапериферической кинематики (1, 2).

В представленных измерениях помимо основной детекторной установки, регистрировавшей лептонные пары, использовался малоугловой спектрометр протонов (ATLAS Forward Proton spectrometer, AFP), который регистрировал протоны, вылетевшие под малыми углами относительно осей пучков БАК. AFP состоит из четырех станций кремниевых детекторов, попарно расположенных слева и справа от установки ATLAS на расстояниях ±205 м (ближние) и ±217 м (дальние) от основного детектора, которые восстанавливают треки частиц. Для регистрации времени пролета дальние детекторы оснащены кварцевыми черенковскими счетчиками. Пространственное разрешение станций, расположенных лишь в 2 мм от оси пучка, составляет всего 6 мкм!

В ходе работы были проанализированы данные, набранные в 2017 году при энергии взаимодействующих протонов 13 ТэВ и интегральной светимости 14.6 фб–1. В измерениях отбирались события с одной первичной вершиной(одно взаимодействие протонов на пересечении пучков БАК внутри установки ATLAS), поэтому они характеризовались очень низким фоном.

Сравнивая полученные результаты эксперимента с теоретическими предсказаниями, также приведенными в статье, можно отметить, что измеренные сечения примерно в полтора раза меньше полученных путем моделирования для Ssurv. = 1. Пока погрешности измерения не позволяют говорить о высокой точности определения величины Ssurv., но, определенно, увеличение статистики в будущих измерениях позволит установить ограничения на неё.

Подробнее об этом открытии можно узнать из препринта статьи эксперимента ATLAS. В заключение следует отметить, что сотрудники ОФВЭ НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента ATLAS и являются соавторами этой работы.