LHC/ATLAS:En unik observation af partikelpardannelse ved foton-foton-kollisioner

Oprettelse af stof i et samspil mellem to fotoner tilhører en klasse af meget sjældne fænomener. Fra dataene fra ATLAS -eksperimentet ved LHC, indsamlet med de nye AFP-protondetektorer med de højeste energier, der er tilgængelige til dato, et mere præcist - og mere interessant - billede af de fænomener, der opstår under fotonkollisioner, dukker op.

Hvis du retter en glødende lommelygte mod en anden, du forventer ikke nogen spektakulære fænomener. Fotonerne, der udsendes af begge lommelygter, går simpelthen forbi hinanden. Imidlertid, i visse kollisioner, der involverer højenergiprotoner, er situationen en anden. Fotoner udsendt af to kolliderende partikler kan interagere og skabe et par stof og antimateriale partikler. Spor af processer som disse er netop blevet observeret i ATLAS -eksperimentet ved Large Hadron Collider (LHC) ved CERN nær Genève. Præcise observationer blev udført ved hjælp af det nye AFP (ATLAS Forward Proton) spektrometer, udviklet med betydelig deltagelse af forskere fra Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Krakow. De polske fysikere, finansieret af National Science Center og Ministeriet for Videnskab og Videregående Uddannelse, har været involveret i udviklingen af ​​AFP -detektorer siden udformningen af ​​disse enheder.

"Observationer af dannelsen af ​​stofpartikler og antimateriale fra elektromagnetisk stråling går tilbage til begyndelsen af ​​atomfysik, "siger professor Janusz Chwastowski, leder af teamet af fysikere på IFJ PAN involveret i AFP -detektorerne.

Ja, det var februar 1933, da Patrick Blackett (Nobel 1948) og Giuseppe Occhialini rapporterede en observation af oprettelsen af ​​et elektron-positronpar, der blev initieret af en kvantitet af kosmisk stråling. Oprettelsen af ​​stof og antimateriale blev derfor bemærket tidligere end den omvendte proces, dvs. den berømte og spektakulære positron tilintetgørelse. De første observationer af sidstnævnte blev foretaget i august 1933 af Theodor Heiting, og tre måneder senere af Frédéric Joliot.

"I de mest almindeligt registrerede skabelsesbegivenheder, en foton omdannes til en partikel og en antipartikel. I modsætning, fænomenet, vi studerer, er af en anden karakter. Partikel-antipartikelparret opstår her på grund af interaktionen mellem to fotoner. Muligheden for sådanne processer blev først rapporteret af Gregory Breit og John A. Wheeler i 1934, "fortsætter prof. Chwastowski.

Som en ladet partikel, protonen, der bevæger sig inde i LHC -strålerøret, er omgivet af et elektrisk felt. Da bærerne af elektromagnetiske interaktioner er fotoner, protonen kan behandles som et objekt omgivet af fotoner.

"I LHC -strålerøret, protoner når hastigheder meget tæt på lysets hastighed. En proton og det omkringliggende felt gennemgår Lorentz -sammentrækningen langs bevægelsesretningen. Dermed, fra vores synspunkt, en proton, der bevæger sig med næsten lysets hastighed, er forbundet med særligt voldsomme svingninger af det elektromagnetiske felt. Når en sådan proton nærmer sig en anden, der accelererer i de modsatte retninger - og det er den situation, vi har at gøre med LHC - kan der forekomme en interaktion mellem fotonerne, "forklarer Dr. Rafal Staszewski (IFJ PAN).

På LHC, kollisioner af stærkt energiske protonstråler forekommer flere steder, herunder den, der er placeret inde i den kæmpe ATLAS -detektor. Hvis to fotoner støder sammen, resultatet kan være et elektron-positronpar eller et muon-antimuon-par (en muon er omkring 200 gange mere massiv end en elektron). Disse partikler, som tilhører leptonfamilien, fremstillet i store vinkler i forhold til protonstrålerne, registreres inde i hoved ATLAS -detektoren. Sådanne fænomener er blevet observeret ved LHC før.

"Pointen er, vi har yderligere to hovedpersoner i to-fotonprocesser! Disse er, naturligt, fotonkilderne, dvs. de to forbipasserende protoner. Således kommer vi til essensen af ​​vores måling, "siger Dr. Staszewski og forklarer:" Som et resultat af fotonemissionen, hver proton mister noget energi, men vigtigt, den ændrer praktisk talt ikke bevægelsesretningen. Så, det undslipper detektoren sammen med andre protoner i strålen. Imidlertid, protonen, der udsendte foton, har en lidt lavere energi end stråleprotonerne. Derfor, acceleratorens magnetfelt afbøjer det mere, og det betyder, at den gradvist bevæger sig væk fra strålen. Det er de protoner, vi leder efter med vores AFP -spektrometre. "

Hver af de fire AFP -sporingsenheder indeholder fire sensorer:16x20 mm halvleder -pixelplader, placeret den ene bag den anden. En proton, der passerer gennem sensorerne, afsætter noget energi, og dermed aktiveres den pixel på sin vej. Ved at analysere alle de aktiverede pixels, protonvejen og egenskaberne kan rekonstrueres.

Behovet for at registrere protoner, der kun er lidt afbøjet fra fjernlyset, betyder, at AFP -spektrometrene skal indsættes direkte inde i LHC -strålerøret, kun få millimeter væk fra de cirkulerende bjælker.

"Når du arbejder så tæt på en partikelstråle med så høje energier, du skal være opmærksom på risiciene. Den mindste fejl i placeringen af ​​spektrometeret kan resultere i at brænde et hul i det. Det ville være meget foruroligende, men det ville virkelig være det mindste af vores problemer. Det resulterende affald ville forurene i det mindste en del af speederen og forårsage nedlukning i et stykke tid, "bemærker prof. Chwastowski.

De her beskrevne målinger blev udført med AFP -spektrometre placeret i en afstand på ca. 200 m fra det punkt, hvor protonerne kolliderede.

"Protoner interagerer på LHC på mange måder. Som et resultat, protonerne observeret i AFP-spektrometrene kan stamme fra andre processer end dem, der er forbundet med foton-foton-interaktioner. For at søge efter de rigtige protoner, vi havde brug for at have præcis viden om hver partikels egenskaber, "understreger ph.d. -studerende Krzysztof Ciesla (IFJ PAN), der behandlede den indledende analyse af rådata indsamlet af AFP -spektrometrene i 2017 og konverterede dem til oplysninger om energier og momenta for de registrerede protoner. Resultaterne af protonenergimålingerne blev derefter sidestillet med energierne fra det skabte leptonpar og, baseret på bevaringsprincipper, det blev bestemt, om den observerede proton kunne være kilden til den interagerende foton.

Målingerne ved hjælp af AFP -spektrometrene viste sig at være yderst statistisk signifikante, ved ni standardafvigelser (sigma). Til sammenligning, en måling på fem sigmaer er normalt tilstrækkelig til at annoncere en videnskabelig opdagelse. Så, AFP -spektrometrene har bestået testen, beviste anvendeligheden af ​​metoden og gav meget interessant, selvom det stadig er uklart, resultater. Det viste sig, at teoretiske forudsigelser ikke helt stemmer overens med de bestemte egenskaber ved de undersøgte interaktioner. Det er klart, at der er skjulte nuancer i to-fotonprocesserne observeret ved proton-protonkollisioner med høj energi, der kræver bedre forståelse og yderligere målinger.