Детектор TOTEM — один из самых маленьких детекторов, установленных на Большом адронном коллайдере, — обнародовал на днях свои первые измерения полного и упругого сечения рассеяния протонов. Измерение этих сечений и изучение их зависимости от энергии как раз является одной из главных задач детектора TOTEM. Данные были представлены 21 сентября на 107-й встрече Комитета по экспериментам на LHC (слайды доступны онлайн). Краткая заметка об этом результате появилась в последнем выпуске церновского бюллетеня. Более подробную информацию о недавних измерениях упругого рассеяния на детекторе TOTEM см. в статье в журнале CERN Courrier.
Стоит объяснить чуть подробнее, какие величины были измерены и о чём они говорят. В списке научных задач Большого адронного коллайдера присутствуют не только такие фундаментальные вопросы, как поиск симметрии и изучение хиггсовского бозона, но и более приземленные задачи — например, более глубокое изучение структуры протона (по сути, изучение свойств сильного взаимодействия). То, что протоны состоят из трех кварков, наверняка слышали многие, однако эта простая картинка перестает работать для протона, движущегося с околосветовыми скоростями. Протон с высокой энергией лучше всего представлять себе состоящим из взаимопроникающих облаков партонов — кварков, антикварков и глюонов, при этом чем больше энергия протона, тем более богатой оказывается его внутренняя партонная структура. Некоторые дополнительные подробности см. в популярной статье Многоликий протон и заметках Как выглядит ультрарелятивистский протон - 1 и Как выглядит ультрарелятивистский протон - 2.
Полное (красный цвет), упругое (зеленый) и неупругое (синий) сечения в протон-протонных и протон-антипротонных столкновениях в зависимости от энергии. Новые данные TOTEM показаны закрашенными кружочками. Изображение из доклада коллаборации TOTEM 21 сентября на 107-й встрече комитета LHCC
Сложную внутреннюю структуру быстро летящего протона физики изучают очень давно. Одним из ключевых предсказаний теории здесь является плавный рост концентрации партонов внутри протона, а также рост поперечного размера протона при увеличении энергии. На эксперименте это означает, что полное сечение рассеяния двух протонов должно расти с ростом энергий. Полное сечение — это, условно говоря, вероятность того, что два протона, летящие навстречу друг другу, столкнутся. Что именно с протонами дальше произойдет, здесь пока значения не имеет — именно поэтому речь идет о «полном» сечении (обозначается оно через σtot). Полное сечение естественным образом разделяется на упругое (σel) и неупругое (σinel). Неупругое сечение отвечает такому лобовому столкновению двух протонов, при котором рождаются новые частицы; упругое сечение означает, напротив, что ничего не рождается, а протоны просто отклоняются на некоторый угол.
Несмотря на общее предсказание о росте этих сечений, надежно рассчитать эту зависимость пока не удается. Вместо этого используются многочисленные модели поведения партонных плотностей, опирающиеся на разные предположения об их поведении. Конечно, все эти модели строились так, чтобы хорошо описывать данные, полученные до эры LHC, однако они довольно сильно расходились на энергии LHC. Дополнительную интригу создавал тот факт, что два измерения полного сечения (правда, в протон-антипротонных столкновениях) на Тэватроне, выполненные детекторами DZero и CDF, сильно отличались друг от друга (на рисунке это пары треугольничков при энергии 1,98 ТэВ).
Результаты измерения этих сечений, представленные коллаборацией TOTEM, показаны на рисунке темными кружочками. Эти данные, в целом, воспроизводят ожидавшееся поведение сечений и позволяют отбросить совсем уж экстремальные модели. Интересно, что интерполяционная кривая проходит примерно посередине двух измерений на Тэватроне, не отдавая особого предпочтения ни одному из них. Интересно отметить, что статистика для этих результатов была набрана в коротком 30-минутном сеансе работы в конфигурации с расфокусированными пучками, который состоялся 29 июня. Сейчас погрешность измерения составляет около 3%, но в будущем ее удастся еще уменьшить.
