При изучении результатов протон-протонных столкновений на энергии в 7 ТэВ, проводимых на Большом адронном коллайдере (БАКе), сотрудники коллаборации CMS отметили новый эффект двухчастичных корреляций.

Специалисты Европейского центра ядерных исследований (CERN) впервые заметили его ещё в июле, но статья с описанием вышла только сейчас.

Следует отметить, что детектор CMS (Compact Muon Solenoid) входит в число четырёх основных детекторов БАКа. Заявленные цели этого эксперимента вполне традиционны: физики планируют выполнять рутинные исследования столкновений протонов с тераэлектронвольтовыми энергиями, искать эффекты, выходящие за рамки Стандартной модели, и собирать свидетельства существования бозона Хиггса.

Сейчас, когда коллайдер работает на половинной мощности, учёные занялись угловыми двухчастичными корреляциями. В такого рода исследованиях сравниваются между собой направления движения заряженных частиц, образующихся при столкновениях. Авторов интересовали величины Δη и Δφ: первая (различие в псевдобыстроте — величине, показывающей, насколько частица отходит от оси пучка) представляет собой меру расхождения треков частиц в продольной плоскости, а вторая — различие в азимутальном угле — характеризует расхождение в поперечной плоскости.

Рис. 1. Псевдобыстрота и азимутальный угол.

По результатам измерений для пар частиц была вычислена корреляционная функция R, определяемая следующим образом:

R(Δη, Δφ) = <(N – 1)•(SN(Δη, Δφ)/ВN(Δη, Δφ) – 1)>N.

Здесь N — число треков, реконструированных для каждого события, SN отвечает за сигнал, а ВN — за фон. Фоновое распределение исследователи создали путём объединения в пáры частиц из разных событий, выбранных случайным образом.

Рис. 2. Корреляционная функция для «типичных» столкновений (слева) и тех событий, в которых рождалось более 110 частиц. «хребет» отмечен стрелкой.

Неожиданный эффект проявился в столкновениях, прождавших значительное число (более сотни) частиц. Как можно заметить, при N > 110 на показанном ниже графике R(Δη, Δφ) выделяется протяжённый «хребет» в области Δφ ~ 0. Следовательно, частицы в некоторых пáрах, удаляясь от точки столкновения на больших Δη, ориентируются под одним и тем же углом φ — оказываются «связаны» друг с другом.

Ранее ничего подобного в случае протон-протонных столкновений не наблюдалось, и давать объяснение этому явлению физики не спешат. Стоит заметить, что схожие результаты были получены в Брукхэвенской национальной лаборатории на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов, где корреляции посчитали следствием образования кварк-глюонной плазмы.

Если мы хотим разобраться в этом, нам нужно набирать статистику», — резюмирует представитель коллаборации CMS Гвидо Тонелли (Guido Tonelli).

И физики пока не знают, как его интерпретировать.

Мы надеемся получить в ответ на нашу публикацию не просто идеи, а способы протестировать их правоту", — сказал на специальном собрании Гюнтер Роланд (Gunther Roland) из MIT, являющийся одним из авторов публикации.

Статья одобрена к печати в Journal of High Energy Physics.

Подробнее о нынешнем открытии рассказывает пресс-релиз CERN.