Всі існуючі в світі колайдери (прискорювачі на зустрічних пучках) можна розбити на кілька груп відповідно до того, які частки розганяються і стикаються один з одним:
- електрон-позитронного колайдери;
- електрон-протонні колайдери;
- адронні (протон-протонні, протон-антипротонів, ядерні) колайдери.
Експерименти на адронних коллайдерах, до яких відноситься і LHC, мають ряд особливостей, про які корисно розповісти окремо.
Як виглядає типове протон-протонне зіткнення
Протон - складова частка; він складається з трьох кварків (двох u-кварків з електричним зарядом +2/3 і одного d-кварка із зарядом -1/3), які скріплені разом глюонної полем. Однак якщо протон летить зі швидкістю, дуже близькою до швидкості світла, то глюонної поле в ньому перестає бути просто зв'язує силою, але матеріалізується у вигляді потоку частинок - глюонів, - які летять поруч з кварками. Можна вважати, що швидко летить протон складається з перемішаних один в одному глюонів, кваркових і навіть антикваркових «хмар» - Партон щільності.
При дуже великих енергіях протон виявляється заповненим в основному глюонами, а кварків і антикварків в ньому помітно менше. Протони і антипротона в таких умовах виглядають практично однаково, і тому немає особливої різниці, що зіштовхувати - протони з протонами (як на LHC) або протони з антипротонами (як на колайдері Теватрон).
Коли два протона стикаються лоб в лоб, то це зовсім не означає, що кожен Партон обов'язково вдаряється об щось всередині зустрічного протона. Зазвичай все відбувається простіше - один кварк з одного протона стикається з кимось із зустрічного протона, а решта Партон просто пролітають повз.
Автомобілі, що зіткнулися один з одним Партон отримують сильний «удар», вибиває їх з батьківських протонів. Однак глюонної поле має важливу властивість - конфайнментом. який не дозволяє кваркам полетіти просто так. Замість цього відбувається адронізація - енергія удару витрачається на народження численних адронів. Саме через адронізаціі протон-протонне зіткнення так сильно відрізняється від електрон-позитронного. У цьому процесі партони- «спостерігачі» вже приймають найактивнішу участь.
Як правило, удар по Партон виходить в основному поздовжній, а не поперечний. В результаті адрони народжуються переважно з великими поздовжніми і маленькими поперечними імпульсами. Через це типове протон-протонне зіткнення виглядає приблизно так:
У типовому протон-протонної зіткненні при високих енергіях народжується безліч адронів. Кутовий розподіл їх розльоту НЕ изотропно, а «притиснуто» до осі зіткнень. (Рис. І. Іванова)
Тут схематично показаний процес множинного народження адронів. Кожен Адрон відзначений окремої стрілкою, причому довжина стрілки приблизно відповідає імпульсу адрону. В результаті адрони розлітаються НЕ изотропно на всі боки, як ніби притиснуті до осі зіткнення.
Зрідка відбувається особливо жорсткий процес, при якому зіткнулися Партон отримують сильний поперечний удар. Ці Партон вилітають з великим поперечним імпульсом, і наслідки адронізаціі в цьому випадку виглядають так:
Іноді відбувається жорстке зіткнення, і тоді крім стандартного адронного фону вилітають вузькі потоки високоенергетичних адронів - адронні струменя. (Рис. І. Іванова)
Народжені адрони групуються як уздовж осі зіткнення, так і навколо напрямку вильоту жорсткого Партон. Потік адронів, що вилітають приблизно в однаковому напрямку, називається адронів струменем.
Крім жорсткого розсіювання двох партонов, існують і інші механізми народження струменів. Так, в зіткненні двох партонов лоб в лоб може народитися дуже важка частка (наприклад, Z-бозон), яка потім розпадається на два кварка, а вони вже породжують струменя. Власне, вивчення подій із струменями - це і є один з методів пошуку важких нестабільних частинок. Спостерігаються також і багатоструменеві події.
Кінематика протон-протонних зіткнень
Оскільки партонов всередині протона багато, кожен Партон несе лише невелику частку всієї енергії протона. Через це повна енергія зіткнення двох партонов виходить помітно менше, ніж номінальна енергія протон-протонного зіткнення. Наприклад, коли на LHC два протона стикаються з енергією 7 + 7 ТеВ, відбуваються процеси зіткнення партонов, скажімо, з енергіями 1 + 2 ТеВ, або 0,5 + 0,3 ТеВ, або 0,2 + 0,05 ТеВ і т . д.
Всі ці зіткнення відбуваються з певною частотою, причому чим менше енергія, чим частіше вони відбуваються. Саме тому збільшення енергії протонів призводить до різкого збільшення перетину багатьох цікавих процесів зіткнення. Наприклад, на протон-антипротонному колайдері Теватрон теж відбуваються зіткнення двох партонов з енергією 0,5 + 0,3 ТеВ, але на LHC вони будуть відбувається на порядки частіше.
Через те, що розподіл часток не изотропно, а притиснуто до осей, кінематику частинок на адронних коллайдерах зручно описувати за допомогою змінних «швидкість-кут». У таких змінних зручно виділяються різні типи процесів, що відбуваються в протонних зіткненнях.
Труднощі вивчення протон-протонних зіткнень
У вивченні протон-протонних зіткнень є дві основні проблеми: одна експериментальна і одна теоретична.
- У кожному зіткненні народжується дуже багато часток. Деякі з них при цьому взагалі не потрапляють в детектор, а «відлітають в трубу», так що розібратися в цій мішанині дуже важко.
- Теоретики вміють добре розраховувати процеси з окремими кварками або глюонами, але описати адронізацію з перших принципів поки не вдається. Адронізацію доводиться враховувати за допомогою чисельного моделювання, і тому зв'язок між теорією і експериментом не настільки безпосередня, як, наприклад, в електрон-позитронного зіткненнях.
Однак є кілька прийомів, що дозволяють в цій ситуації все ж дізнатися чимало нового.
По-перше, не всі народжені частки однаково «цікаві». Найважливішу інформацію несуть частинки з великим поперечним імпульсом, тобто струменя. Кути вильоту і енергія струменів «пам'ятають» то жорстке зіткнення між кварками або глюонами, яке їх породило. Вивчаючи властивості струменів, експериментатори можуть намацати більш тісний зв'язок з теорією.
По-друге, іноді крім адронів народжуються і інші частинки з великою енергією - електрони, мюони, фотони. Ці частинки не беруть участь у сильній взаємодії, тому адронізаціі їм не заважає. Відбираючи події з такими частками, можна вивчати набагато більш рідкісні процеси, ніж у винятково адронних події.