Пресс-центр

Состоялся семинар по пертурбативной квантовой хромодинамике

На прошлой неделе в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ состоялся совместный семинар Отделений теоретической физики (ОТФ) и физики высоких энергий (ОФВЭ), на котором сотрудники Института обсудили две методики расчета процессов взаимодействия протонов высоких энергий: ДГЛАП и БФКЛ. Основополагающий вклад в развитие этих двух подходов внесли физики ОТФ.

Протон, хоть и именуется элементарной частицей, имеет очень сложную структуру. Вообще, все адроны – многоликие частицы. Их свойства зависят от того, на каком временном или, что тоже самое, на каком энергетическом масштабе их рассматривать. Теоретический расчет свойств протона, а также предсказание свойств взаимодействия этих частиц при различных энергиях – очень сложная задача, особенно если задаться целью сделать вывод из постулатов физической теории (их еще иногда называют первыми принципами). На сегодняшний день в мире существует лишь две методики, позволяющие проводить точные количественные расчеты некоторых аспектов взаимодействия протонов высоких энергий. Методики расчета называют по первым буквам физиков-теоретиков, заложивших их основы: ДГЛАП (Докшицер-Грибов-Липатов-Паризи-Альтарелли) и БФКЛ (Балицкий-Фадин-Кураев-Липатов). Об этих методиках и о вкладе в их развитие физиков Ленинградского института ядерной физики (ныне НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ) рассказал на Объединённом семинаре ОТФ и ОФВЭ Михаил Григорьевич Рыскин.

Мы уже писали о том, что протон выглядит по-разному при разных энергетических масштабах столкновений. При малых энергиях это практически точечная (~10^–13 см) заряженная частица со спином ½, при промежуточных – протяженный заряженный объект, характеризующийся некоторым распределением заряда, при высоких сложная система партонов (кварков и глюонов). Как же количественно рассчитать результат взаимодействия такой очень сложной системы? Если объекты взаимодействуют не интенсивно (константа взаимодействия много меньше единицы), то на помощь приходят методы теории возмущений. Эта методика является основой квантовой электродинамики – теории взаимодействия заряженных частиц, при котором происходит обмен фотонами. Так как константа электромагнитного взаимодействия мала (α_em = 1/137), решение можно представить в виде ряда по степеням α_em. Каждый следующий член такого ряда гораздо меньше предыдущего и можно, ограничившись подсчетом лишь нескольких членов ряда, получить ответ, обладающий нужной точностью.

В теории сильного взаимодействия – квантовой хромодинамике (КХД) все намного сложнее. Во-первых, заряд не один, как в электродинамике, а три (так называемые цветовые заряды). Во-вторых, частица переносчик сильного взаимодействия – глюон –сама обладает этим зарядом и глюоны взаимодействуют друг с другом! А в-третьих, бегущая константа связи сильного взаимодействия (α_st) растет с уменьшением энергии, и методами теории возмущений можно пользоваться лишь при энергиях 5-10 ГэВ и выше. Тем не менее, теоретический расчет вероятностей (сечений) различных процессов возможен. Обеспечивает это метод ДГЛАП. Он позволяет перекинуть мостик между экспериментально измеренными партонными распределениями на некотором доступном экспериментаторам энергетическом масштабе и распределениями на энергетических масштабах, на которых возможно рождение очень тяжелых частиц: векторных бозонов W и Z, t-кварка, бозона Хиггса, и даже гипотетических частиц Новой физики.

Впервые на возможность перехода с масштаба на масштаб указали теоретики из ЛИЯФ Владимир Наумович Грибов и Лев Николаевич Липатов. В 1972 году они написали уравнения эволюции для квантовой электродинамики, а в 1977 Юрий Львович Докшицер, также сотрудник теоротдела ЛИЯФ, показал, что эта схема применима и для КХД. Примерно в это же время эти же уравнения независимо вывели итальянские физики-теоретики Джорджо Паризи и Гвидо Альтарелли. С конца 1970-х годов и поныне схема ДГЛАП применяется для проведения точных расчетов.

Вторым режимом КХД, для которого возможны относительно точные расчеты, является БФКЛ. Этот режим описывает обмен глюонной лестницей, помогает теоретически вычислить свойства померона – объекта, призванного описать процессы рассеяния при высоких энергиях. Основы БФКЛ заложили в нашей стране. Большой вклад в развитие этой теории внес академик РАН Лев Николаевич Липатов.

Поиски БФКЛ режима КХД – одна из важнейших экспериментальных задач Большого адронного коллайдера (БАК). Этим вопросом занимаются физики сразу нескольких лабораторий Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. Сотрудники Лаборатории физики элементарных частиц ищут БФКЛ, анализируя редкие события, в которых две адронные струи разделены большим пустым угловым интервалом. Пока обработаны лишь данные, набранные в 2010-2012 гг. в ходе первого этапа работы БАК. На их основе твердо утверждать, что режим БФКЛ присутствует, пока нельзя. Сейчас ведется обработка данных, набранных при энергиях взаимодействия протонов 13 ТэВ.

Вторым явлением, в котором могут проявляться эффекты БФКЛ, является ультрапериферическое рождение J/ψ мезонов в протон-протонных и протон-ядерных взаимодействиях. Этим методом можно протестировать относительно высокий энергетический масштаб, на котором высока неопределённость предсказаний ДГЛАП и уже могут проявляться эффекты БФКЛ. Результаты таких измерений опубликованы в прошлом году ученными LHCb и ALICE. Большой вклад в эти эксперименты внесли сотрудники ОФВЭ НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. Из опубликованных в 2109 году данных можно сделать несколько выводов. Во-первых, видно, что ДГЛАП-расчёты удовлетворительно описывают эксперимент лишь до какого-то предела, после которого необходима подстройка партонных распределений. Во-вторых, просканировав протон вплоть до масштаба x ~ 3×10^–6 (x – доля импульса протона, которую несет кварк или глюон), физики не обнаружили так называемого стабилизации (насыщения) глюонного распределения: оно продолжает расти. Это говорит о том, что до этого режима, предсказываемого расчетами, эксперимент еще не добрался. В-третьих, при x < 10^–3 сечение процесса растет как x^–0.28, что совпадает с предсказаниями БФКЛ, включающими поправки следующего порядка. Этот результат сильно обнадёживает физиков!