Пресс-центр

Первое наблюдение дифракции протонов на ядрах свинца экспериментом CMS при энергии БАК принесло неожиданные результаты

Представленная 18 января коллаборацией CMS работа (https://arxiv.og/abs/2301.07630) по изучению дифракционного соударения протонов с ядрами свинца при энергии столкновения (в системе центра масс - СЦМ) нуклонов 8 ТэВ является первым наблюдением такого рода процессов в области энергии Большого адронного коллайдера (БАК). Особый интерес к этому измерению был связан с тем, что предыдущие данные были получены при энергии меньшей в 300 раз в системе центра масс (СЦМ), или в 200 тыс. раз меньшей чем в лабораторной системе.

Другим примечательным фактом является то, что дифракционное рассеяние адронов и ядер при высоких энергиях имеет непосредственную связь с нашим Институтом. В 1961 году выдающийся физик В.Н. Грибов из ЛИЯФ АН СССР (ныне НИЦ КИ - ПИЯФ) при теоретическом рассмотрении процессов при высоких энергиях в подходе Грибова-Редже открыл наличие дополнительной сингулярности в виде полюса , отвечающей за обменное взаимодействие без изменения квантовых чисел сталкивающихся частиц. Вследствие того, что такое вакуумное обменное взаимодействие объясняло равенство сечений рассеяния частиц и античастиц при асимптотически высоких энергиях, предсказанное И.Я. Померанчуком за несколько лет до этого (теорема Померанчука), возможная частица, соответствующая этому полюсу, была названа «помероном». Померон, таким образом, ответственен за высокоэнергетические асимптотики всех видов сечений рассеяния частиц: полных, упругих, неупругих и дифракционных.

Также, в конце 1969г. В.Н. Грибов развил теорию дифракционного взаимодействий частиц с ядрами при высоких энергиях (теория Грибова-Глаубера) с включением так называемых неупругих теневых поправок, которые в свете современной квантовой хромодинамики могут иметь довольно интересные и необычные свойства – они могут обладать как экранирующими, так и антиэкранирующими эффектами.

Необходимо упомянуть, что теоретическое открытие померона было удивительным для того времени, так как предсказывало, что сечения взаимодействия частиц могут не убывать при асимптотических энергиях. В то время, в экспериментах при доступных тогда энергиях (менее 25 ГэВ), сечения взаимодействия частиц стремительно падали с увеличением энергии соударения. Только с вводом в строй в 1967 г. в ИФВЭ (ныне НИЦ КИ - ИФВЭ) самого мощного в мире на тот момент ускорителя У-76 удалось увидеть, что полные сечения взаимодействия адронов, начиная с 70 ГэВ, являются неубывающими функциями энергии соударения. Эксперименты по малоугловому рассеянию в ЦЕРН в конце 1970-х группой ОФВЭ НИЦ КИ – ПИЯФ под руководством выдающегося физика А.А. Воробьева, окончательно подтвердили правильность подхода Грибова-Редже и до сих пор являются источником самого точного значения величины наклона траектории померона. Впоследствии, в НИЦ КИ – ПИЯФ были учреждены именные стипендии для молодых ученых им. В.Н. Грибова и А.А. Воробьева.

В настоящее время, самые высокие по энергии (до 10²¹ эВ) процессы столкновений частиц наблюдаются при взаимодействии космических частиц (так называемые космические лучи) с ядрами атмосферы Земли, создающими в каскадном взаимодействии космические ливни. Эти энергии превышают энергии БАК на четыре порядка в СЦМ. Изучение дифракционных протон-ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, чувствительных к свойствам померона, может повысить качество и точность моделирования взаимодействий космических лучей и, соответственно, улучшить понимание различных высокоэнергетических процессов во Вселенной.

Неожиданным результатом первого наблюдения дифракционного протон-свинцового взаимодействия на БАК явилась значительная недооценка данных CMS предсказаниями существующих Монте Карло генераторов физических событий. Полученные данные CMS указывают на необходимость серьезной корректировки параметров моделей померонной дифракции в сторону увеличения ее вклада. Другим важным выводом является необходимость учёта огромного вклада электромагнитных процессов с обменом гамма-квантами, испускаемых тяжелым ядром с большим электрическим зарядом, который оказался такого же порядка, как и вклад сильных взаимодействий.

Данная работа CMS, выполненная в новом энергетическом масштабе для дифракционных процессов на ядрах, дала новое понимание об относительных ролях померона и гамма-кванта в таких процессах и может помочь в описании взаимодействий космических лучей при сверхвысоких энергиях.

Подробнее с этим и другими физическими результатами CMS можно ознакомиться на сайте результатов коллаборации CMS.

Необходимо отметить, что данный анализ был проведен при ведущем вкладе группы ОФВЭ НИЦ КИ - ПИЯФ: руководитель анализа – Е.В. Кузнецова, ведущий исполнитель – Д.Е. Соснов, который недавно был отмечен стипендией имени В.М. Лобашева. Также, группа сотрудников ОФВЭ НИЦ КИ - ПИЯФ в целом ведёт большую работу по бесперебойной поддержке и модернизации Мюонной системы детектора CMS и активно участвует в физическом анализе данных.