Наука и образование

Открыт ли оддерон?

В марте 2021 года эксперименты TOTEM и DØ объявили об открытии оддерона – квазичастицы, существование которой было предсказано почти 50 лет назад. Это заявление стало предметом дискуссии, которая развернулась на Объединённом семинаре Отделения физики высоких энергий и Отделения теоретической физики НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. С докладом выступил Михаил Григорьевич Рыскин.

Мы писали о том, что число частиц, открытых на Большом адронном коллайдере, достигло 60. Недавно было объявлено еще об одном открытии, правда «частица», проявляющаяся во взаимодействии протонов высоких энергий, сильно отличается от предыдущих.

Физики давно обсуждают глюболы – гипотетический тип частиц, которые могут быть образованы только глюонами, частицами-переносчиками сильного взаимодействия. Найти связанное глюбольное состояние пока не удалось, но обмен такими объектами, которые в этом случае стоит рассматривать как квазичастицы помогает отписать упругое рассеяние протонов высоких энергий. При энергиях БАК взаимодействия такого типа, проходящие без рождения новых частиц и изменения внутренней структуры протонов, составляют примерно четверть от всех взаимодействий. Чтобы зарегистрировать малоугловое упругое рассеяние, а рассеявшийся протон отклоняется на миллиметр, пролетев 200 метров, необходимы специальные детекторы. На БАК такими измерениями занимаются коллаборации TOTEM и специальный детектор при эксперименте ATLAS. В 2000-х годах на протон-антипротонном коллайдере Tevatron упругое pp̄-взаимодействие изучал эксперимент DØ.

При низких энергиях отличия между процессами pp- иs pp̄-рассеяния, объясняется обменом различными (виртуальными) мезонами. Если же энергия взаимодействия достигает нескольких ТэВ, то упругое рассеяние происходит в основном за счет глюонов. Так, рассеяние на малые углы может быть описано при помощи померона – бесцветной квазичастицы, состоящей (в грубом приближении) из четного числа глюонов. Стоит пояснить, что здесь под цветом понимается заряд сильного взаимодействия, а не цвет в привычном нам понимании.

В 2018 году эксперимент TOTEM представил измерения, которые не укладывались в картину померонного обмена, и требовали привлечения C-нечетной квазичастицы— оддерона, название которого происходит от английского слова odd — нечётный. Введение такой квазичастицы позволило лучше описать отношение вещественной и мнимой части амплитуды рассеяния. Это отношение обозначают греческой буквой ρ. Для измерений, представленных в 2018 году, статистическая значимость проявления оддерона не достигла планки в 5 стандартных отклонений, но была довольно значима (см. рисунок 1). В таких случаях физики говорят об указании на эффект (англ. evidence).

Недавно появилось второе указание на обмен оддеронами. Физики-экспериментаторы сравнили упругое протон-протонное (TOTEM) и протон-антипротонное (DØ) рассеяние при энергии 1.96 ТэВ. При этом следует оговориться, что в распоряжении специалистов БАК такого набора данных не было, но они смогли провести экстраполяцию для измерений, сделанных при энергии взаимодействующих протонов 2.76, 7, 8 и 13 ТэВ. Теория требует, чтобы знаки вклада обмена оддероном в упругие pp- и pp̄-взаимодействия отличались друг от друга. Действительно, наборы данных демонстрируют указание на различную зависимость сечения от величины квадрата переданного импульса (обозначается |t|, см. рисунок 2). Статистическая значимость указания составляет 3.4σ. Если объединить эти новые, а также измерения величины ρ и данные по протон-протонному рассеянию при 13 ТэВ, то вероятность случайного совместного отклонения соответствует статистической значимости на уровне 5.2-5.7σ. Это позволило экспериментам DØ и TOTEM сделать совместное заявление об открытии оддерона. Подробнее с этой работой можно познакомиться из препринта статьи двух экспериментов.

В своей статье экспериментаторы ссылаются на теоретические работы сотрудников Отделения теоретической физики нашего Института: Льва Липатова, Михаила Рыскина, Владимира Грибова, Евгения Левина, Валентина Хозе. Неудивительно, что это заявление стало поводом для обсуждения на Объединенном семинаре ОФВЭ и ОТФ. С докладом выступил заведующий сектором ОТФ профессор Михаил Григорьевич Рыскин. Он напомнил, что оддерон уже пару раз теоретически «открывали», но эти «открытия» вызывали скепсис. Что касается последнего анализа, Михаил Григорьевич высказал опасение, что процедура экстраполяции, которую применили физики TOTEM, может содержать дополнительные погрешности. И действительно, в своей работе экспериментаторы указывают, что они протестировали несколько вариантов экстраполяции и все они дают близкие результаты, однако, величины соответствующей погрешности не привели. Решающими, по мнению докладчика, будут результаты эксперимента ATLAS.  Сейчас физики обрабатывают данные по измерению сечения упругого протон-протонного рассеяния при энергии 13 ТэВ. Если величина сечения окажется ниже, чем полученная коллаборацией TOTEM, то открытие оддерона может быть поставлено под сомнение. «Тенденции к проявлению трёхглюонного обмена в экспериментальных данных имеются, но необходимы новые указания», подытожил Михаил Григорьевич.

В заключение следует отметить, что сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» (в том числе из ПИЯФ) принимали активное участие в работе эксперимента DØ. Сотрудники Отделения физики высоких энергий внесли крупный методический вклад в эту экспериментальную установку, причем как в систему сбора информации с 50 000 каналов мюонного детектора, так и в программное обеспечение. Они являются полноценными соавторами измерения сечения протон-антипротонного рассеяния.