28 июня 2021

Большой адронный коллайдер объявил о наблюдении КХД эффекта, предсказанного много лет назад в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ

Эксперимент ALICE, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), объявил о прямом наблюдении эффекта мертвого конуса, который был предсказан 30 лет назад теоретиками нашего Института. Это одно из проявлений эффектов, характерных для калибровочных квантовых теорий поля и, в частности, квантовой хромодинамики.

В Стандартной Модели (СМ) физики частиц сильное взаимодействие описывается квантовой хромодинамикой (КХД). С точки зрения КХД взаимодействие протонов при энергиях БАК следует рассматривать как взаимодействие (рассеяние) их составных частей – партонов – кварков и глюонов. Испытав жесткое взаимодействие, рассеянный кварк испускает глюоны, образуя так называемый партонный ливень. В итоге партонные ливни превращаются в струи адронов, которые можно зарегистрировать в эксперименте. В начале 90-х гг. сотрудники Отделения теоретической физики нашего Института Юрий Докшицер, Сергей Троян и Валерий Хозе предсказали существование замечательного эффекта, получившего название эффекта мёртвого конуса (англ. dead cone). Согласно их вычислениям, излучение глюонов массивным кварком с массой m и энергией E должно быть подавлено в конусе с угловым размером m/E вдоль направления движения кварка. Иллюстрация процесса образования струи и эффекта мёртвого конуса представлена на рисунке 1.

Очевидно, что эффект мертвого конуса, параметрически определяемый отношением m/E, должен в КХД более ярко проявляться при излучении глюонов более тяжелыми кварками с и b и вымирать с ростом их энергии. Струи, порожденные тяжелыми кварками, можно идентифицировать по наличию продуктов распада очарованных или прелестных частиц. Косвенным свидетельством того, что этот феномен существует, являлись измерения, произведенные экспериментом DELPHI на Большом электрон-позитронном коллайдере (Large Electron-Positron Collider, LEP), в котором изучалась так называемая множественность (количество) частиц в адронных струях. Измерения показали, что множественность зависит от массы кварка, породившего струю. Измерения эксперимента H1, выполненные на коллайдере HERA, также показали, что струи, образованные очарованными кварками, отличаются по своим характеристикам от струй, образованных u, d и s кварками. Это интерпретировалось как косвенное свидетельство эффекта мёртвого конуса, однако, не являлось прямым его наблюдением.

Прямое измерение эффекта мёртвого конуса было затруднено. Во-первых, существенный вклад в область мёртвого конуса могут давать частицы, возникшие в результате адронизации кварка. Вторая сложность связана с трудностью точного определения размеров конуса, ибо в процессе испускания глюонов энергия и направление движения кварка изменяются.  Прогресс экспериментальных методов позволил учесть эти эффекты.

В новой работе эксперимента ALICE изучены адронные струи, образованные очарованными кварками, превратившимися в D0 мезоны. На первом этапе проводилось восстановление D0 мезонов по распадам на пару каон-пион. Затем по угловым распределениям частиц в струе физики пытались восстановить историю образования адронного ливня (см. рисунок 1). На первом шаге реконструкции восстанавливалась последовательность появления частиц в струе, а на втором на основе этой информации рассчитывалась эволюция параметров c кварка. Подобная процедура проводилась и для обычных струй. Для них вместо D0 мезона использовалась так называемая лидирующая частица. Таким образом, для каждой струи определялось количество шагов и разделяющий угол θ (англ. splitting angle). Распределения по разделяющему углу чувствительны к исследуемому эффекту.

Для выделения эффекта экспериментаторы построили отношение распределений по θ для c-струй и струй, образованных лёгкими кварками: R(θ). Ожидалось, что для малых углов (большие величины ln θ–1) и при небольших энергиях кварка, излучающего глюоны (ERadiator), это отношение будет подавлено. Эффект проверялся при помощи генераторов событий взаимодействия протонов, для которых имеется возможность включить или выключить влияние эффекта мертвого конуса. В результате физики действительно обнаружили это подавление и сделали заключение о наблюдении эффекта мёртвого конуса (см. рисунок 2). Статистическая значимость открытия превышает 7 стандартных отклонений. Наблюдение этого эффекта является ярким подтверждением законов КХД.

Подробнее о методике проведения анализа данных и результатах работы можно узнать из препринта статьи, направленный в престижный научный журнал Nature. В заключение, следует отметить, что сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ не только предсказали эффект мёртвого конуса, но и внесли свой вклад в его обнаружение. Сотрудники Лаборатории релятивистской ядерной физики Отделения физики высоких энергий Института работают в составе ALICE и являются полноценными соавторами открытия.