Пресс-центр

CMS измерил константу сильного взаимодействия новым методом

Эксперимент CMS, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), измерил константу сильного взаимодействия α_s(M_Z) новым методом. Ученые извлекли этот параметр Стандартной Модели (СМ) из инклюзивных сечений рождения тяжелых векторных бозонов W и Z. Результаты совпали с измерениями α_s(M_Z) другими методами.

Мы уже писали о том, что одним из свойств современной теории физики элементарных частиц является тот факт, что значения всех её основных параметров зависят от масштабов энергии, на которых они определены. Один из самых ярких примеров этого явления – уменьшение с ростом масштаба энергии параметра, определяющего интенсивность сильного взаимодействия. Этим параметром является знаменитая асимптотическая свобода – антиэкранировка цветового заряда квантовой хромодинамики (КХД). Поиски этого явления теоретики вели с середины 1950-х годов вплоть до его открытия в 1973 году (Нобелевская премия 2004 г. - Д. Гросс, Ф. Вильчек, Д. Политцер). Это явление, наблюдавшееся впервые в 1967 г. в эксперименте на ускорителе СЛАК в Стэнфорде как скейлинг (масштабная инвариантность) в глубоко неупругом рассеянии электронов на протонах (Нобелевская премия 1990 г. - Дж. Фридман, Г. Кендалл, Р. Тейлор), имеет весьма интересную и важную для фундаментальной физики историю развития. В этой истории нужно отметить работы советских теоретиков. Сначала Л.Д. Ландау, А.А. Абрикосов и И.М. Халатников вычислили в квантовой электродинамике «бегучесть» константы связи, то есть ее изменение с энергетическим масштабом. Они показали, что в квантовой электродинамике имеется только явление экранировки, которое приводило к парадоксу «нуль-заряда», сформулировали утверждение о невозможности избежать этого парадокса в квантовой теории поля (1954 г.). В 1959 г. А.А. Ансельм нашел пример двумерной теории поля с асимптотической свободой. В.С. Ваняшин и М.В.  Терентьев (1965 г.) впервые рассмотрели неабелевые калибровочные теории для физики антиэкранировки в квантовой теории поля, хотя в то время эти теории не рассматривались всерьез из-за проблемы их квантования. В 1967 г. Л.Д. Фаддеев и В.Н. Попов решили проблему квантования неабелевых калибровочных полей с помощью «духов Фаддеева-Попова». В 1969 г. И.Б. Хриплович провел невероятно сложные вычисления для неабелевых полей с помощью кулоновской «бездуховой» калибровки, получив по ходу вычислений правильные результаты, указывающие на явление антиэкранировки. Летом 1972 г. Дж. `т Хуфт представил результат для асимптотической свободы в неабелевых калибровочных теориях на конференции во Франции, но отложил на некоторое время публикацию этого результата. И, наконец, Д. Политцер, а также Д. Гросс и Ф. Вильчек летом 1973 г. опубликовали свои работы с аналогичным результатом, которые вызвали широкий резонанс и способствовали созданию КХД – современной теории сильных взаимодействий.

Недавно, эксперимент CMS измерил константу сильного взаимодействия α_s(M_Z) на Большом адронном коллайдере (БАК) на энергетическом масштабе, равным массе M_Z, новым методом (препринт статьи CMS). На рисунке 1 приведена зависимость бегущей константы связи сильного взаимодействия (α_s) от энергии. Чем больше энергетический масштаб, на котором протекает тот или иной процесс, тем менее интенсивно сильное взаимодействие. Референсным считают значение параметра при энергии, равной массе Z⁰ бозона – α_s(M_Z). Именно это значение измерили новым методом физики эксперимента CMS.

Параметр α_s – наименее точно измеренная из констант связи в СМ. Улучшить точность её определения необходимо, так как она является одним из источников неопределённостей теоретических расчетов практически для всех аспектов физики частиц. Существует несколько методов её определения и лишь пара из них базируется на данных адронных коллайдеров. Новый метод, реализованный экспериментом CMS, состоит в измерении вероятности (сечения) рождения тяжелых бозонов W^± и Z⁰ и их последующего сравнения с предсказаниями пертурбативной КХД – теории, описывающей сильное взаимодействие при высоких энергиях, в которую α_s(M_Z) входит как свободный параметр.

Электрически нейтральные бозоны Z⁰ регистрировались по их распаду на пары e⁺e^– или μ⁺μ^–, а заряженные W^± по распадам на пару заряженный лептон (e^± или μ^±) и соответствующее нейтрино.

Статистическая погрешность регистрации тяжелых бозонов очень низка и основной вклад в неопределенность полученных сечений вносит погрешность определения интегральной светимости – общего числа протонов БАК, провзаимодействовавших за все время сбора данных.

Основной вклад в теоретический расчет вносит неопределенности в наших знаниях партонных распределений – распределение по импульсам составных частей протона (кварков и глюонов). Существует несколько немного различающихся версий извлечения этих распределений из экспериментальных данных, и физики CMS использовали наиболее популярные: CT14, HERAPDF2.0, MMHT14, NNPDF3.0. Как видно из рисунка 2, извлеченная величина α_s(M_Z) довольно сильно зависит от выбора набора партонных распределений. Константа сильного взаимодействия, полученная при помощи нового метода (α_s(M_Z) = 0.1175^+0.0025_–0.0028), хорошо согласуется с мировыми данными, а погрешность её определения примерно такая же, как у других методов, доступных на БАК.

С подробностями анализа данных можно ознакомиться из препринта статьи CMS. В заключении следует отметить, что сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в бесперебойной поддержке и модернизации эксперимента CMS, внося свой вклад в возможность проведения таких экспериментальных работ.