Neįprastas eksperimentas su LHC padės išspręsti kosminių antiprotonų paslaptį • Igoris Ivanovas • Mokslinės naujienos "Elementai" • LHCb detektorius, astrofizika

Neįprastas eksperimentas LHC padės išspręsti kosminių antiprotonų paslaptį

Pav. 1. Šis kruopštus inertinių dujų įpurškimas į vakuuminį vamzdelį LHCb detektoriuje leidžia atlikti matavimus, kurie yra naudingi kosminių antiprotonų paslaptį išspręsti. Vaizdas iš cds.cern.ch

Įtaisas, sumontuotas tik grynai techniniams patikrinimams Didžiojo Hadrono kolektoriaus LHCb detektoriuje, yra netikėtas. Jam dėka, fizikai išmoko protonus stumti į inertinių dujų branduolius, tokiu būdu dramatiškai plečiant "branduolinę" koliažerio programą. Neseniai paskelbti protonų su heliumi susidūrimo rezultatai padės astrofizikams spręsti kosminių antiprotonų paslaptį, kurią prieš dvejus metus atrado kosminio detektoriaus AMS-02 duomenys.

Antimatter kosminiuose spinduliuose

Šiuolaikinėje eksperimentinėje fizikoje dažnai atsitinka taip, kad įrankis ar metodas, kuris iš pradžių buvo sukurtas tam tikram konkrečiam tikslui, staiga randamas taikymui visiškai skirtingose ​​srityse ir leidžia išspręsti problemas, kurias jos kūrėjai iš pradžių neatsižvelgė. Ši neprognozuojama metodų migracija yra šiuolaikinio fizinio eksperimento žavesio elementas. Neseniai tokį technologijų šuolį įvyko net Didžiojo "Hadron Collider".Grynai techninis įrenginys, sukurtas fizikų bendradarbiavimu LHCb, siekiant išmatuoti šviesumą, leido jiems nustatyti neįprasto tipo eksperimentus, kurių niekas negali daryti didelėje "Hadron Collider". Be to, šių eksperimentų rezultatai yra labai naudingi astrofizikams: jie padės jiems susidoroti su kosminių antiprotonų paslaptimi, kuri atsirado prieš keletą metų.

Pradėkime iš tolo, su originalia mįsle. Kosminiai spinduliai yra grandiozinių eksperimentų, skirtų pagreitinti daleles iki didžiulių energijos ir jų susidūrimo, kuris pati savaime išsidėsto giliai. Tarkime, mes dar nežinome, kur ir kokiomis sąlygomis šios dalelės buvo išsklaidytos, mes galime matuoti jų srautą, kampinį pasiskirstymą, spektrą (energijos paskirstymą) ir, galiausiai, kompoziciją – ir iš šių duomenų sužinome jų kilmę. Vienas iš pagrindinių klausimų yra toks: ar visas kosminių spindulių savybes galima priskirti įpriems astrofiziniams procesams, ar jie nurodo kokį nors naują kosminių spindulių šaltinį? Prieš dešimt metų, bandydamas atsakyti į šį klausimą, pasikeitė realus erdvės detektyvas, kuris ir toliau eina iki šios dienos.

2008 m. Rusijos ir Italijos palydovinis detektorius PAMELA parodė, kad kosminės spinduliuotės yra labai daug positronų. Pernelyg didelis energijos kiekis buvo dešimtys GeV ir didesnis: didėjant energijai, pozitronų frakcija nesumažėjo, kaip prognozuojama įprastomis astrofizikos modelėmis, tačiau išlaikė 5-6%, o tada net padidėjo. Toks nenatūralus elgesys sujaudina fizikus: galų gale tai gali reikšti, kad išnykusios tamsios materijos dalelės, susidariusios nepakankamai tamsios materijos dalelėmis, susidaro pertekliniai positronai!

2011 m., Praėjus dešimtmečiui statybos, naujasis erdvinis detektorius AMS-02, didžiausias orbitinių elementarių dalelių detektorius, priėmė PAMELA pagalbą. Pirmieji AMS-02 moksliniai duomenys buvo pristatyti 2013 m. Balandžio mėn. – jie patvirtino kosminių pozitronų perteklių. Tačiau astrofizikai iki to laiko suprato, kad toks keistas padidėjimas pozitrono frakcijoje vis tiek gali turėti grynai astrofizinę kilmę. Be to, kai kurie astrofizikai paprastai nemato jokių problemų šiose priklausomybėse. Todėl pozitronų duomenys, žinoma, yra puikus, bet deja, kol kas negalima sakyti, kad jie patikimai nurodo tamsią materiją.

Bet tada įvyko kitas šios istorijos raundas.Be positronų, kosminės spinduliuotės yra ir kitos antiparticles, antiprotons. Jie yra tūkstančiai kartų mažesni už protonus, bet jie yra. Jų kilmė yra tokia pati kaip pozitronų, antrinė. Iš pradžių nė vienas iš šių antiprotonų pagreitėjo. Paprastai labai didelių energijos kosminių spindulių protonai, skrendantys per galaktiką, susidūrė su tarpžvaigždinių dujų branduoliais ir sukūrė daugybę адронов, įskaitant антипротоны. Astrofizinis modeliavimas prognozuoja, kad antiprotonų ir protonų santykis turėtų pereiti per smailę, kai energija siekia keletą GeV, o tada pradeda palaipsniui mažėti. Tačiau PAMELA ir ypač AMS-02 duomenys parodė šiek tiek kitokį vaizdą: virš 10 GeV, antiprotonų ir protonų santykis pasiekia plokštumą ir išlieka iki 400 GeV (2 pav.).

Pav. 2 Antiprotonų dalis kosminiuose spinduliuose, kurių energija yra iki 500 GeV, matuojant AMS-02, lyginant su teorinėmis prognozėmis. Aukščiau: pradinio AMS bendradarbiavimo pristatymo laikas, kuriame duomenys ryškiai skiriasi nuo astrofizinių prognozių (ruda juosta). Žemyn žemyn: tas pats palyginimas, tačiau atsižvelgiant į įvairius modeliavimo klaidų šaltinius,padaryta kita astrofizikos komanda. Raudona juostelė – modeliavimo neapibrėžtumas, susijęs su prastomis antiprotonų gamybos skerspjūvio žiniomis

Reikėtų pažymėti, kad kai AMS-02 bendradarbiavimas pranešė apie šiuos rezultatus prieš dvejus metus, ji atkreipė situaciją į ryškias spalvas, pranešdama apie patikimą modelių ir didelės energijos duomenų neatitikimą (2 pav., Viršuje). Tačiau beveik iš karto buvo pažymėta, kad bendradarbiavimas akivaizdžiai nepakankamai įvertino modeliavimo klaidas: iš tikrųjų prognozės toli gražu nėra tokios vienareikšmės (2 pav., Toliau). Visų pirma antiprotonų skerspjūvis gretimų didelio energijos protonų su helio branduoliais susidūrimo atveju yra labai prastai žinomas iki dviejų artimiausių metų, ir tai yra viena iš pagrindinių modeliavimo neapibrėžtumų.

Taigi atsiranda gana konkretus astrofizikos bendruomenės prašymas koliažeriui. Būtina atlikti eksperimentą dėl antiprotonų susidarymo protonų su helio branduoliais susidarymo. Be to, protonai turi turėti kelias TeV energijas, kad antiprotons patenka į reikiamą energijos diapazoną. Tokie protonai, žinoma, egzistuoja Didžiojo Hadrono kolektoriuje, tačiau tik jis nežino, kaip susidurti su heliu.

Ar vis dar gali?

LHCb fiksuoto tikslinio susidūrimo režimu

Ir čia prasideda istorija, kažkaip primenanti pasaką apie Pelenę. Tai prasideda kaip nuobodus, su techninėmis detalėmis. Siekiant tiksliai išmatuoti įvairių susidūrimo procesų skerspjūvius, nepakanka tik nustatyti susidariusias daleles. Reikia žinoti, kaip intensyvus protonų susidūrimas buvo. Greitintuvo fizikos kalba reikia išmatuoti koliažerio šviesumą.

Tai yra skirtingi būdai, tačiau fizikai iš LHCb bendradarbiavimo pradiniu būdu kreipėsi į problemą. 2012 m. Jie surinko nesudėtingą dujų sistemą (1 pav.), Kurią jie pavadino SMOG (Dujų sutapimo matavimo sistema). Per specialias sesijas jie pradėjo injekuoti kai kuriuos inertines dujas tiesiai į vakuuminį vamzdelį arti jų detektoriaus. Šio sugadinimo vakuumas, bet ne per daug: dujų slėgis buvo apie 10−7 milibaras Be to, dėl siurblių ši zona su sugadinta vakuumu išilgai kolektuvo vamzdžio tęsiasi tik dešimt metrų ir netrukdo kitiems LHC eksperimentams. Paprastai protonų sijos sklendžia per ribotą dujų debitą be trukdžių, o protonai susiduria tik su dujiniais branduoliais.Detektorius seka kiekvieno tokio susidūrimo pasekmes, atkuria tašką, kuriame jis įvyko, kaupia statistiką ir – voila! – mes matome erdvinį sijų skirstymą detektoriaus viduje (3 pav.). Išsamią ataskaitą apie šio metodo darbą skaitykite 2014 m. Lape. Tikslios šviesos matavimai LHCb.

Pav. 3 LHCb detektoriaus erdvinis pasiskirstymas dviejų susiduriančių spindulių, gautų inertinių dujų įpurškimui. Nuotrauka iš cds.cern.ch

Norint, kad atomai neatsidurtų ant vakuuminio vamzdžio sienelių, reikia naudoti tik inertines dujas, tačiau kitaip nėra jokių apribojimų: SMOG gali dirbti su heliu, argonu, neonu, kriptonu, ksenonu. Bet leisk man! Jei taip, tuomet susidūrimai gali būti naudojami ne tik techniniams tikslams, o ne tik šviesos matavimui, bet ir naujiems fiziniams rezultatams gauti! Galų gale, iš tikrųjų, SMOG leidžia jums tvarkyti LHCb unikalias sąlygas, kad kitas detektorius negali pakartoti prie Didžiojo Hadrono Collider. Pirma, tai yra susidūrimai režime fiksuoto tikslo, o ne susiduria sijos, kaip Collider paprastai dirba. Antra, ir svarbiausia, branduolių sąrašo, kuris gali būti naudojamas susidūrimams, aštrus išplėtimas.Įprastu režimu LHC susiduria tik su švino protonais arba šerdies branduoliais – jis tiesiog negali išskaidyti nieko kito. Ir čia siūloma įdėti į šių dviejų tipų dalelių kelias dar keletą branduolių skirtingos masės. Taip netikėtai LHCb sprogsta į mokslinių tyrimų sritį, kurios iš pradžių ji netinkama.

Fizikai iš LHCb bendradarbiavimo pradėjo šią mokslinių tyrimų programą su protonų-argono susidūrimais. Tačiau vėliau, 2015 m. Balandžio mėn., NPQCD konferencijoje Oscar Adriani pasiūlė naudoti šią sistemą, kad būtų paleistas helis į vakuuminį vamzdelį ir atliktas šis eksperimentas dėl antiprotonų gimimo protonų ir helio susidūrimuose, kuriuos laukia astrofizika. Italijos mokslininkai taip sužavėjo idėją, kad oficialus prašymas buvo išsiųstas į LHCB bendradarbiavimą, o tų pačių metų liepos mėn. Buvo sušaukta darbo konferencija, skirta šiai konkrečiai galimybei. Įvertinimai parodė, kad detektoriaus geometrija yra gana tinka registruojant antiprotatus, kurių energija yra 100-200 GeV, tik toje vietoje, kur ji reikalinga.

LHCb palaikė šią paraišką, o 2016 m. Gegužės mėn. Per specialią 5 valandų seansą ji iš tikrųjų ėmėsi matavimų su heliu. Tačiau duomenų analizė reikalauja tam tikrų įgūdžių.Pirma, dujų tankis buvo labai mažas, o likusios dujos vakuuminiame mėgintuvėlyje, kuri paprastai yra ignoruojami, gali sugadinti rezultatus, ypač jei juose yra sunkiųjų elementų. Laimei, matavimai parodė, kad tai daugiausia molekulinis vandenilis ir jo poveikis rezultatams neviršija 1%.

Antrasis techniškai svarbus dalykas – normalizuoti skyrių. Mes iš tiesų sugrįžtame į šviesos matavimo užduotį: nepakanka tiesiog užregistruoti kai kuriuos įvykius, taip pat reikia žinoti efektyvaus koliažo šviesumą šiame neįprastame režime (jų santykis aprašytas Vertėjimų puslapyje FHP ir jų matavimo vienetų). Tam mums reikia kito, palaikančio proceso, kurio skerspjūvis yra labai gerai žinomas. Kadangi šis "atskaitos taškas" fizikai naudojo tą patį protonų sklaidą ant helio atomų, bet ne į branduolius, o apie šių atomų elektronus. Jo dėka šviesumas buvo matuojamas 7% tikslumu, todėl visi tolesni rezultatai turėjo klaidą apie 8-10%.

Per pastaruosius mėnesius LHCb bendradarbiavimas buvo apdorojęs duomenis ir, galiausiai, gegužės mėn. Moriondo 2017 m. Konferencijoje jis išleido preliminarius rezultatus. Dėl puikios identifikavimo sistemos, detektorius patikimai užregistravo antiprotons ir išskyrė juos iš kitų dalelių.Sugeneruotų antiprotonų energijos diapazonas nuo 12 iki 110 GeV buvo nuskaitomas, o skersinių impulsų paskirstymas virš 400 MeV. Rezultatai buvo lyginami su teoriniais skaičiavimais, atliktais remiantis keturiais skirtingais hadro susidūrimo modeliais.

Bendras išmatuotų paskirstymų vaizdas iš tikrųjų atrodo taip, kaip prognozavo modeliai, tačiau skerspjūvis pasirodė pastebimai didesnis už įprastas prognozes; perteklius kartais pasiekė 50% (4 pav.). Kitaip tariant, teorinis antiprotonų modeliavimas kosminėmis spinduliais nepakankamai įvertino šio proceso intensyvumą. Akivaizdu, kad po galutinio LHCb rezultatų paskelbimo astrofizikai perskaičiuos figūrą pateiktą grafiką. 2, ir jis bus šiek tiek didesnis nei dabar. Klaidos taip pat mažės, taigi labai įdomu sužinoti, ar AMS-02 duomenys vis tiek skirsis nuo naujų prognozių ir, jei taip, kiek.

Pav. 4 Paruoštų antiprotonų pasiskirstymas pagal skersinį impulso įvairioms energijos sritims. Įvairios spalvos rodo išmatuotų duomenų santykį su keturių teorinių modelių prognozėmis. Vaizdas iš aptariamos ataskaitos

Apskritai, LHCb, trina rankas, pradeda savo staiga atsirado mokslinę programą susidūrimų su stacionarių taikinių. Artimiausias tikslas – pakartoti tą patį matavimą skirtingais protonų energijų (jau šiuos duomenis, jie buvo įdarbinti 2016 lapkričio, tačiau dar nėra tvarkomi), taip pat nustatyti iš antiprotonų frakcija, kuri neturi atsirasti iš karto susidūrimo, ir vėlai kitų antikūnų skilimas. Po to sekė įvairių matavimų įvairovę protonų susidūrimų su helio, argono, neono – visa tai dar gali padaryti vienas iš didysis hadronų priešpriešinių srautų greitintuvas. LHCb mūsų akis tampa laboratoriją tirti kosminių spindulių savybes! Ir visa tai, prisiminkime, ji išaugo iš kuklios techninės prietaiso, kuris iš pradžių taikoma tik LHCb stebėjimo spindėjimo.

Šaltiniai:
1) G. Graziani (už LHCb bendradarbiavusių). Fiksuoto Target fiziką LHCb // pranešimo konferencijoje 52. Rencontres de Moriond apie elektrosilpnojoje sąveikos ir Unified teorijos, La Thuile, Italija, Kov 22, 2017.
2) LHCb bendradarbiavimas. Išankstinis skelbimas LHCb-Conf-2017-002 (o uždara).

Taip pat žiūrėkite:
1) Populiari LHCb rezultatų apžvalga.
2) LHCb atneša kosminius susidūrimus žemyn į Žemę // CERN Courier. 2017 m. Balandžio 13 d.
3) iš vakuumo ir dujų // CERN biuletenis. 2015 m. Lapkričio 16 d.
4) Darbo Konferencijos medžiaga iš seminaro LHCb sunkiųjų jonų ir Fixed Tikslinė Fizika, 2017 sausio 9-10.

Igoris Ivanovas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: