Ученые из Физического института имени Лебедева (ФИАН) нашли объяснение странному эффекту, обнаруженному ранее в эксперименте на Большом адронном коллайдере – по их данным, частицы, движения которых были по неизвестным причинам связаны друг с другом, могут быть соединены «мягкими адронными струями».

Чуть больше года назад участники коллаборации CMS на LHC объявили об обнаружении эффекта, не предсказанного модельными расчетами, – корреляции в движении вторичных частиц, рожденных в протон-протонных столкновениях.

Сотрудники ФИАН дали свое объяснение этому эффекту.

Детектор CMS (Compact Muon Solenoid – компактный мюонный соленоид) регистрирует процессы, происходящие при столкновении пучков протонов и ядер. Каждое столкновение, особенно центральное, влечет за собой рождение вторичных частиц, разлетающихся из точки первоначального соударения под определенным углом. Эффект, выявленный на БАКе, заключается в том, что после соударения пучков протонов с энергиями 3.5 ТэВ (3.5*10¹² эВ) пар вторичных частиц с относительно малыми разностями азимутального угла и большими разностями псевдобыстрот наблюдалось больше ожидаемого. Другими словами,

пары заряженных частиц оставались связанными, даже разлетаясь в разные стороны. Эта корреляция проявляется в виде хребта на карте распределений (см. рисунок 1, карта справа).

Рис. 1. Сравнение распределений при меньших (слева) и больших (справа) значениях поперечного импульса (иллюстрация – ЦЕРН).

За два года до этого нечто похожее наблюдалось в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов на ускорителе RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider – релятивистский тяжело-ионный коллайдер) в Брукхевенской национальной лаборатории. А самые первые указания на корреляции частиц с малым отличием в азимутальных углах и большой протяженностью по полярным углам (псевдобыстроте) были получены еще 25 лет тому назад – в космических лучах в экспериментах ФИАН на Памире (в соударениях протонов с ядрами воздуха), как раз при энергиях, соответствующих энергиям LHC.

Рис. 2. На карте слева – распределение, полученное на LHC при столкновении протонов, справа – на RHIC при столкновении ионов золота (иллюстрация – ЦЕРН).

Однако несмотря на то, что эффект проявлял себя как минимум трижды, однозначного объяснения ему пока нет. Объяснение, которое предлагают сотрудники ФИАН Максим Азаркин, Игорь Дремин и Андрей Леонидов, основывается на существовании мягких адронных струн.

Рассказывает ведущий научный сотрудник Сектора физики высоких энергий, доктор физико-математических наук Андрей Леонидов:

«Адронная струна – это то, что связывает кварк и антикварк в мезоне. Когда мы пытаемся растащить их друг от друга, то из-за эффекта конфайнмента кварк и антикварк разойтись не могут, и между ними появляется скрепляющая их хромоэлектрическая трубка, которая и называется адронной струной. У мягкой адронной струны, с которой мы связываем явление хребта, натяжение порядка ГэВа на Ферми. Процессы множественного рождения частиц связаны с тем, что эти трубки распадаются, когда струну растягивают. Грубо говоря, она разрывается на более короткие струны, которые в конце концов становятся частицами. Это все равно, что разрывать резиновую ленточку, но при этом нужно иметь ввиду, что как только она разорвалась посередине, каждый из кусочков подхватывается дальше и растягивается вновь. Это происходит до тех пор, пока наконец все не успокоится, а те куски резиновой ленточки, которые останутся – есть конечные адроны».

Определяющим эффект фактом с позиции струнной философии является то, что струны, натянутые между кварками, образуют выделенный вектор, который связывает траектории разлетающихся частиц в поперечной плоскости. Этот вектор как раз и показывает выделенное направление, в котором происходит ориентация или выстроенность.

«То, что мы сделали, так это показали, что этого механизма достаточно, чтобы появился эффект "хребта». Если выключить все другие механизмы, кроме этого, то появится та самая выстроенность. Мы показали действие такого естественного механизма, который работает всегда, когда есть струнные или струноподобные конфигурации. То есть все вполне укладывается в особенности того, как должна быть натянута эта струна. Это довольно естественная вещь, дающая максимально простую интерпретацию эффекта", – комментирует Андрей Леонидов.

Таким образом, эффект выстроенности вторичных частиц в случае учета адронных струн, исходя из проведенных модельных расчетов, наблюдается при определенном соотношении полярных и азимутальных углов, а также при определенных импульсах вторичных частиц, очень схожих с наблюдаемыми в экспериментах на БАК. По полярному углу – это плато, а по азимуту – пик при нулевом относительном угле, то есть частицы одинаково смотрят по азимуту и сильно коррелированны по полярному углу.

Работа была выполнена в рамках исследований, проводимых ФИАНовской группой в коллаборации CMS, которой руководит главный научный сотрудник ФИАН, доктор физико-математических наук Сергей Русаков и которая объединяет как теоретиков, так и экспериментаторов. В частности, авторами настоящей работы являются как теоретики (И. Дремин и А. Леонидов), так и экспериментаторы (аспирант С. Русакова М. Азаркин).

Комментирует один из соавторов работы Максим Азаркин:

«Выполненная работа – это часть большой деятельности, которая осуществляется в Секторе высоких энергий ФИАН по пониманию того, что мы видим в опытах на LHC и в частности на CMS».