Встречайте квазичастицу «Odderon» — эксперимент на БАКе нашел доказательства ее существования

В 17-мильном кольцевом туннеле под границей между Францией и Швейцарией международное сообщество ученых проводит эксперименты с использованием самого передового научного инструмента в мире — Большого адронного коллайдера (БАК, LHC). Сталкивая протоны, которые приближаются к скорости света, физики анализируют эти столкновения и больше узнают о фундаментальном составе всей материи во вселенной. В последние годы, например, эти эксперименты показали данные, ведущие к Нобелевской премии за открытие бозона Хиггса.

Теперь команда физиков раскрыла возможные доказательства субатомной квазичастицы, названной «odderon», которая до сих пор существовала только теоретически. Их результаты в настоящее время публикуются на серверах arXiv и CERN в двух документах, которые были представлены в рецензируемые журналы.

«Мы искали ее с 1970-х годов», — сказал Кристоф Ройон (Christophe Royon), Заслуженный профессор Фонда в Отделе физики и астрономии КУ.

Новые результаты касаются адронов (семейства частиц, которые включают протоны и нейтроны), которые состоят из кварков, «склеенных» вместе с глюонами. Эти конкретные эксперименты включают «столкновения», когда протоны остаются неповрежденными после столкновения. Во всех предыдущих экспериментах ученые обнаружили столкновения с участием только четного числа глюонов, обмениваемых между разными протонами.

«Протоны взаимодействуют, как два больших полуприцепа, которые перевозят автомобили,  как вы видите их на шоссе», — сказал Тимоти Рабен, теоретик частиц в КУ, который работал над исследованием. «Если бы эти грузовики упали вместе, после крушения у вас все равно были бы грузовики, но теперь машины будут снаружи, а уже не на бортах грузовиков, — то есть появятся новые автомобили (энергия превращается в вещество)».

В новой статье исследователи, использующие больше энергии и наблюдающие столкновения с большей точностью, сообщают о потенциальных нечетных числах глюонов, без каких-либо кварков.

«До сих пор большинство моделей предполагало, что есть пара глюонов — всегда четное число, — сказал Ройон. «Теперь мы впервые измеряем большее количество событий и свойств при новой энергии. Мы обнаружили измерения, которые несовместимы с традиционной моделью при принятии четного числа глюонов. Это своего рода открытие, когда мы могли увидеть в первый раз нечетный обмен глюонами. Может быть три, пять, семь или более глюонов ».

Исследователи объяснили, что Оддерон можно рассматривать как общий вклад, поступающий от всех типов нечетного обмена глюонов. Он представляет собой участие всех трех, пяти, семи или других нечетных номеров глюонов. Напротив, более старая модель предполагает вклад от всех четных чисел глюонов, поэтому она включает в себя вклады от двух, четырех, шести или более четных глюонов вместе.

В LHC работа была выполнена командой из более чем 100 физиков из восьми стран, использующих эксперимент TOTEM, рядом с одним из четырех точек суперколлайдера, где протонные пучки направлены друг в друга, в результате чего миллиарды протонных пар сталкиваются каждую секунду.

Исследователи заявили, что результаты дают новые подробности стандартной модели физики частиц, широко принятой теории физики, которая объясняет, как взаимодействуют основные строительные элементы вещества.

«Это не нарушает стандартную модель, но есть очень непрозрачные области Стандартной модели, и эта работа освещает свет в одном из этих непрозрачных регионов», — сказал Рабен.

Физики предполагали существование оддеронов на протяжении многих десятилетий, но до тех пор, пока БАК не начал работать с наивысшими энергиями в 2015 году, оддерон оставался просто гипотезой. Данные, собранные и представленные в новой статье, были получены при мощности 13 тераэлектронвольт (ТэВ).

«Эти идеи восходят к 70-м годам, но даже в то время быстро стало очевидно, что мы не были близки технологически к тому, чтобы обнаружить оддерон, так что, хотя есть несколько десятилетий предсказаний, до сих пор оддерон не был замечен», — сказал Рабен.

По словам исследователей, эксперимент TOTEM был разработан для обнаружения протонов, которые не были разрушены столкновением, но слегка отклонились. Таким образом, детекторы частиц TOTEM размещаются на расстоянии нескольких миллиметров от исходящих пучков протонов. Сравнивая текущие результаты с измерениями, выполненными при более низких энергиях с использованием менее мощных ускорителей частиц, TOTEM смог сделать самые точные измерения чем когда-либо.

Соавторы сравнили отношение сигнатур от столкновений при различных энергиях, чтобы установить «параметр rho», меру, которая помогла собрать доказательства возможного присутствия оддеронов.