Физики обнаружили первые реальные следы теоретической квазичастицы оддерона
Большой адронный коллайдер (БАК), огромный ускоритель элементарных частиц, продолжает раздвигать грани науки, и в рамках последних экспериментов с его участием ученые обнаружили нечто, что может являться первым потенциальным доказательством существования субатомной квазичастицы, имеющей название оддерон, которая до этого существовала только в теории. Полученные результаты затрагивают адроны, семейство элементарных частиц, в которое входят протоны и нейтроны, которые состоят из кварков, «склеенных» при помощи глюонов.
В своих экспериментах с БАК ученые использовали особый режим работы ускорителя, при котором сталкивающиеся протоны остаются целыми, а не разрушаются, порождая целые ливни вторичных частиц. Ранее при проведении подобных экспериментов было замечено, что при таких столкновениях протоны не просто отлетают друг от друга, они успевают очень быстро обменяться несколькими глюонами. При этом количество «обменных» глюонов раньше всегда было четным.
Сам оддерон ученые в итоге не обнаружили, однако исследователи наблюдали определенные эффекты, которые могли бы указывать на его наличие. Физики использовали протоны, имеющие большую энергию, что позволило им получить большую точность проводимых измерений. И в результатах этих измерений были найдены случаи обмена между протонами нечетным количеством глюонов, что совсем не вписывается во все существующие модели подобных процессов. Исследователи считают, что ответственность за это несоответствие несет именно оддерон, квазичастица, состоящая в данном случае из трех, пяти, семи и большего нечетного количества глюонов, которая формируется на короткое время в момент столкновения протонов.
«Полученные результаты не ломают существующую Стандартную Модель физики элементарных частиц. В этой модели имеется целый ряд «темных мест», и наша работа позволила «осветить» лишь одну из таких областей и добавить в нее еще одну новую деталь», — говорит специалист по физике элементарных и субэлементарных частиц Тимоти Рабен из Канзасского университета.
Для поисков использовались высокочувствительные датчики эксперимента TOTEM, установленные в четырех ключевых точках туннеля коллайдера, там, где «скрещиваются» лучи протонов и происходят миллиарды столкновений каждую секунду.
«Одним из возможных объяснений того, почему протоны могут сталкиваться без разрушения, является оддерон, однако на практике ученые этого никогда не наблюдали. Это может быть первым случаем получения реального доказательства существования этих квазичастиц», — комментирует Симона Джиани, представитель группы физиков, работающих с экспериментом TOTEM, являющимся частью общей работы по поиску квазичастиц.
Разобраться в этом неспециалисту довольно сложно, поэтому ученые объясняют это на примере с автовозом, перевозящим автомобили в прицепе.
«Представьте, что протоны — это два больших тягача, перевозящих автомобили. Такие часто можно встретить на дороге», — объясняет Рабен.
«А теперь представьте, что эти два грузовика сталкиваются друг с другом, однако после аварии грузовики остаются целыми, но в разные стороны разлетятся автомобили, которые они перевозили. А еще при этом буквально в воздухе образуются новые машины. Энергия переходит в состояние материи».
«Физики охотятся за теоретическими оддеронами в течение нескольких последних десятилетий, начиная с 1970-х годов. Однако технологические возможности того времени просто не позволяли получить доказательства существования оддеронов», — добавляет Рабен.
В экспериментах по поиску оддеронов были задействованы более 100 ученых из восьми стран. Каждую секунду внутри БАК разгонялись миллиарды протонных пар. Благодаря модернизации адронного коллайдера в 2015 году пиковый уровень энергии разогнанных протонов составлял 13 ТэВ.
Несмотря на то, что исследователи не смогли напрямую наблюдать оддерон, они стали свидетелями его эффектов и в будущем надеются получить более прозрачные результаты. Ученые считают, что получить их позволит очередная модернизация БАК, которая позволит разгонять частицы до еще более высоких энергетических показателей.
«Мы ожидаем больших результатов в ближайшие несколько лет», — прокомментировал Кристоф Ройон из Канзасского университета.
Результаты нынешней работы были опубликованы на сайте ArXiv.org и в настоящий момент ожидают оценки другими специалистами.