Toți colizoarele existente din lume (acceleratoarele de coliziune a fasciculului) pot fi împărțite în mai multe grupuri, conform cărora particulele se accelerează și se ciocnesc unul cu celălalt:
- electroni-pozitivi colizoare;
- agitatoare electron-proton;
- hadron (coloane proton-proton, proton-antiproton, nucleare).
Experimentele cu privire la colizoarele hadronice, inclusiv LHC, au un număr de caracteristici care sunt utile pentru a spune separat.
Ce arata o coliziune tipica de protoni si protoni
Protonul este o particulă compozită; se compune din trei cuarci (doi u-cuarci cu o sarcină electrică de +2 / 3 și un d-quark cu o încărcătură de -1 / 3), care sunt ținute împreună de un câmp de gluon. Totuși, dacă un proton zboară cu o viteză foarte apropiată de viteza luminii, atunci câmpul gluon din el încetează să mai fie pur și simplu o forță obligatorie, dar se materializează ca un flux de particule-gluoni - care zboară lângă quark-uri. Se poate presupune că un proton care zboară rapid constă din gluon, quark și chiar "nori" antiquark - densități partonice amestecate între ele.
La energii foarte mari, protonul este în mare parte umplute cu gluoni, iar cuarcile și anticucii în el sunt mult mai puțini. Protonii și antiprotonii arată aproape la fel în astfel de condiții și, prin urmare, nu există nicio diferență deosebită între protonii care se ciocnesc cu protoni (ca în LHC) sau protonii cu antiprotoni (ca la colizorul Tevatron).
Când două protoni se ciocnesc pe frunte în frunte, atunci nu înseamnă că fiecare partener lovește ceva în interiorul unui proton contra. De obicei, totul se întâmplă mai simplu - un cuarț de la un proton se ciocnește cu cineva de la un proton contra, iar ceilalți parteoni pur și simplu zboară.
Cu care se confruntă unul cu celălalt, părinții primesc o "lovitură" puternică, scutindu-i din protonii părinți. Cu toate acestea, câmpul gluon are o proprietate importantă. care nu permite ca quark-urile să zboare așa. În schimb, există hasronizare - energia impactului este cheltuită asupra creării de multiple hadroni. Din cauza hasronizării, coliziunea proton-proton diferă atât de mult de coliziunea electron-positron. În acest proces, "observatorii" din parteon participă deja activ.
De regulă, o lovitură pe parteon este obținută în principal longitudinal și nu transversal. Ca rezultat, hadronii sunt produși în principal cu momente transversale mari și longitudinale mari. Din acest motiv, o coliziune tipică proton-proton arată astfel:
Într-o coliziune tipică proton-proton la energii înalte, se produc multe hadroni. Distribuția unghiulară a expansiunii lor nu este izotropă, ci este "presată" pe axa coliziunilor. (Figura I. Ivanova)
Aici este prezentat schematic procesul de producție multiplă de hadroni. Fiecare hadron este marcat cu o săgeată separată, lungimea săgeții aproximativ corelată cu impulsul hadron. Ca rezultat, hadronii nu sunt împrăștiați în mod izotropic în toate direcțiile, de parcă ar fi presați la axa de coliziune.
Ocazional apare un proces deosebit de greu, în care particoanele de coliziune primesc un impact transversal puternic. Acești parți sunt emise cu un impuls transversal mare, iar efectele hasronizării în acest caz arată astfel:
Uneori apare o coliziune rigidă, iar apoi, în plus față de fondul hadronic standard, fluxurile înguste de hadroni-energetici de mare putere - zboară afară. (Figura I. Ivanova)
Hadroanele generate sunt grupate de-a lungul axei de coliziune și în jurul direcției de plecare a părții rigide. Fluxul de hadroni emise în aproximativ aceeași direcție se numește un avion hadronic.
Pe lângă împrăștierea rigidă a două părți, există și alte mecanisme de producere a jeturilor. Astfel, în coliziunea frunții cu două părți, o particulă foarte grea (de exemplu bosonul Z) poate fi purtată în frunte, care apoi se împarte în două cuarci și deja generează jeturi. De fapt, studierea evenimentelor cu jeturi este una dintre metodele de căutare a particulelor grele instabile. Sunt observate și evenimente cu multiple jeturi.
Cinematica coliziunilor proton-protoni
Deoarece există multe părți în interiorul protonului, fiecare parteon poartă doar o mică parte din energia totală a protonilor. Din acest motiv, energia totală de coliziune a celor doi partoni se dovedește a fi mult mai mică decât energia nominală a coliziunii proton-protoni. De exemplu, atunci când doi protoni se ciocnesc LHC cu o energie de 7 + 7 procese TeV partoni apar coliziuni, de exemplu, cu energii de 1 + 2 TeV sau 0,5 + 0,3 TeV sau 0,2 + 0,05 TeV și t . d.
Toate aceste ciocniri au loc cu o anumită frecvență, și cu cât mai puțină energie, cu atât mai des apar. De aceea, creșterea energiei protonilor conduce la o creștere accentuată a secțiunii transversale a multor procese de coliziune interesante. De exemplu, un Tevatron-proton antiproton apar, de asemenea, o coliziune între două partoni cu energie de 0,5 + 0,3 LHC TeV, dar ele apar mai multe ordine de mărime mai mare.
Deoarece distribuția particulelor nu este izotropă, ci presată pe axe, este convenabil să se descrie cinematica particulelor la colizoarele hadron cu ajutorul variabilelor "cu unghi rapid". În astfel de variabile, este convenabil să se facă distincție între diferitele tipuri de procese care apar în coliziuni de protoni.
Dificultăți în studierea coliziunilor proton-protoni
Există două dificultăți principale în studiul coliziunilor proton-protoni: unul experimental și unul teoretic.
- Peste multe particule se nasc în fiecare coliziune. Unii dintre ei nu intră deloc în detector, ci "zboară în tub", așa că este foarte greu să înțelegi acest mișcare.
- Teoreticienii știu cum să calculeze bine procesele cu cuarci sau gluoni individuali, dar nu este încă posibil să descriem hasronizarea de la primele principii. Adronizarea trebuie luată în considerare cu ajutorul modelării numerice și, prin urmare, legătura dintre teorie și experiment nu este atât de directă, ca de exemplu în coliziunile electron-positron.
Cu toate acestea, există mai multe tehnici care vă permit să învățați multe lucruri noi în această situație.
În primul rând, nu toate particulele produse sunt la fel de "interesante". Cele mai importante informații sunt purtate de particule cu un impuls transversal mare, adică jeturi. Unghiurile de plecare și energia jeturilor "amintesc" de coliziunea grea între cuarcile sau gluonii care le-au generat. Studiind proprietățile jeturilor, experimenterii pot găsi o legătură mai strânsă cu teoria.
În al doilea rând, uneori, în plus față de hadroni, se produc și alte particule cu energie înaltă: electroni, muoni și fotoni. Aceste particule nu participă la o interacțiune puternică, astfel încât să nu interfereze cu hasronizarea. Selectând evenimentele cu astfel de particule, se pot studia procese mult mai rare decât în cazul evenimentelor exclusiv hadronice.
Trimiteți-le prietenilor: