 |
Еженедельник Объединенного института ядерных исследований (Электронная версия с 1997 года) |
№ 5 (4045) от 11 февраля 2011:
Объединенный семинар RDMS CMS
Первые сюрпризы LHC
Очередное заседание объединенного семинара сотрудничества RDMS CMS состоялось 19 января. Открывая это заседание, руководитель семинара профессор И.А.Голутвин отметил, что оно приурочено к событиям, для которых и строится любой новый ускоритель, проектируются новые эксперименты, - новым наблюдениям и неожиданным результатам. Речь идет об обнаружении коллективных эффектов в pp- и PbPb-столкновениях, обнаруженных в экспериментах на LHC (ALICE, ATLAS, CMS) во второй половине 2010 года, а именно угловых корреляциях (ридж-эффект) и асимметрии выхода струй частиц.
По системе видеоконференционной связи аудитория УНЦ ОИЯИ была связана с ФИАН имени П.Н.Лебедева и ИЯИ РАН в Москве, ПИЯФ в Гатчине, ИЯФ имени Г.И.Будкера в Новосибирске, ЦЕРН в Женеве, а также с рядом учебно-образовательных центров Барнаула, Новосибирска, Омска, Томска, Ярославля и др.
Двухчастичные корреляции частиц, образующиеся в столкновениях адронов, - эффект широко известный и заключается в том, что некоторые из этих частиц определенным образом "скоррелированы" или ассоциированы вместе, рождаясь в точке столкновения. Корреляции наблюдались ранее как для частиц, вылетающих под близкими углами, так и для частиц, движущихся в противоположные стороны в поперечной по отношению к направлению сталкивающихся протонов плоскости. Однако при анализе столкновений "высокой множественности" в эксперименте CMS, в которых рождаются более сотни заряженных частиц, были обнаружены корреляции частиц, разлетающихся под большими углами друг к другу, но лежащих практически в одной поперечной плоскости. Это приводит к образованию локального протяженного максимума - "хребта" (ridge) - на двумерном распределении функции корреляции при разнице азимутальных углов вылетающих
частиц 
~ 0 даже больших разниц псевдобыстрот 
.
В пресс-релизе коллаборации CMS, распространенном 21 сентября 2010 года, было отмечено: "Некоторые пары частиц при больших , удаляясь друг от друга со скоростью света, остаются сориентированными по направлению своего движения вдоль одного и того же азимутального угла , как если бы частицы были некоторым определенным образом ассоциированы вместе, рождаясь в точке столкновения.
Необычность этого эффекта и его возможные новые проявления вызывают повышенный интерес, а предлагаемые гипотезы о его природе и стали предметом состоявшего в ходе семинара двухчасового круглого стола.
В начале семинара Владимир Леонидович Коротких из НИИЯФ МГУ рассказал о наблюдении ридж-эффекта в эксперименте CMS. Он обозначил два существенных условия, при которых такое явление наблюдается в протон-протонных столкновениях - высокая множественность частиц в событии (более 100) и промежуточные значения поперечных импульсов частиц (от 1 до 3 ГэВ/c). Также было отмечено сходство с эффектом, обнаруженным ранее во взаимодействиях ядер золота на RHIC. "Наблюдение большого потока частиц в плоскости реакции и ридж-эффект в ядро-ядерных столкновениях - наиболее убедительное свидетельство образования плотной, сильновзаимодействующей кварк-глюонной материи (sQGP) в состоянии жидкой капли", - подытожил докладчик.
В рамках последовавшей за этим дискуссии приняли участие ведущие физики из ОИЯИ, ФИАН, ИЯИ РАН, ИФВЭ, НИИЯФ МГУ, ПИЯФ. Виктор Тимофеевич Ким из ПИЯФ дал обзор возможных теоретических интерпретаций. Основные попытки объяснения наблюдаемого эффекта можно свести к двум концепциям - гидродинамическим моделям в рамках релятивистской гидродинамики и непертурбативной КХД. Он также подробно остановился на описании, предлагаемом Михаилом Григорьевичем Рыскиным (ПИЯФ). Данный подход основан на учете вторичных взаимодействий мини-струи в конечном состоянии и позволяет качественно объяснить наблюдаемые распределения частиц с помощью уравнений эволюции плотности партонов.
Основной трудностью для описания эффекта в рамках КХД является то, что "хребет" формируют мягкие партоны. Как отметил Игорь Михайлович Дремин (ФИАН), мультипериферические взаимодействия "заполняют хребет при сравнительно малых , а дифракция (обмен помероном) - при больших". При этом вклад мягких частиц оказывается задавлен жесткими процессами, но если включить в рассмотрение только дифракционные и струнные процессы, то становится отчетливо виден "мягкий" хребет.
О другом подходе непертурбативной КХД рассказал Андрей Владимирович Леонидов (ФИАН), предложивший искать объяснения в рамках парадигмы конденсата цветного стекла (КГС). "Источником дальних корреляций в парадигме КГС, - заявил он, - являются продольные хромоэлектрические поля, коллимированные в токовые трубки".
В рамках альтернативного гидродинамического подхода удается полностью воспроизвести структуру "хребта" двухчастичной корреляционной функции. Это показал в своем выступлении Рихард Ледницки (ОИЯИ), представивший результаты вычислений в модели термодинамического расширения многочастичной системы. В данном подходе картина начального взаимодействия частиц представлена в виде образования "цветных" (глюонных) силовых "трубок", которые натягиваются между двумя пролетевшими частицами (протонами или ядрами). В начальном состоянии трубка имеет большие размеры по полярному углу и сильно ограниченные по азимутальному углу. Распад и дальнейшая эволюция (расширение) такой системы происходят преимущественно в выделенном азимутальном направлении, и, что особенно важно, сохраняется продольная инвариантность (вдоль оси пучка) поперечных потоков частиц.
Качественное описание, основанное на учете начального орбитального момента частиц в начальном состоянии, было дано Сергеем Михайловичем Трошиным (ИФВЭ). В другом выступлении Владислав Сергеевич Пантуев (ИЯИ) предложил рассматривать ридж-эффект как реакцию среды (обратный всплеск) остановившегося партона. Необходимым условием для этого является наличие плотной цветной среды, способной остановить быстрый партон. При этом докладчик отметил, что "состав и спектр частиц из обратного всплеска будет близок к свойствам среды, то есть мягкий спектр, но за счет дополнительного импульса спектр должен быть несколько жестче".
В заключение дискуссии по ридж-эффекту Александр Михайлович Снигирев (НИИЯФ МГУ) обратил внимание на тот факт, что схожее явление наблюдалось в космических лучах (так называемая "выстроенность") коллаборацией "Памир" и сопоставление разных данных может быть весьма полезно.
Во второй части круглого стола состоялось обсуждение асимметрии выхода струй частиц в столкновениях ядер свинца на LHC. Подробный обзор этого явления был представлен Игорем Петровичем Лохтиным (НИИЯФ МГУ). Данное наблюдение было сделано в экспериментах на LHC в ноябре 2010 года и заключается в следующем. При взаимодействии двух тяжелых ядер образуется сгусток сильновзаимодействующей ядерной материи, в которой среда может находиться как в кварк-глюонной, так и в адронной фазах (или в смешанном состоянии). При прохождении через такую среду любая частица (кварк или глюон) взаимодействует с ней и теряет часть своей энергии (поперечного импульса). Это явление получило название подавления (или гашения) струй (jet quenching). Природа этих потерь может быть двух видов - потери за счет столкновения с частицами среды и потери за счет излучения (радиационные потери). В результате таких процессов первоначальная энергия кварка или глюона существенно уменьшится, как и энергия порождаемых этими партонами адронных струй.
Для экспериментального наблюдения такого рода явления отбирались события с двумя струями. В случае, если два партона были образованы в центре кварк-глюонной системы, они проходят в среде примерно одинаковое расстояние и, соответственно, теряют одинаковую энергию. Однако при удалении места рождения от центра ситуация меняется - один партон вылетает из системы практически без взаимодействия, а другой, наоборот, испытывает еще большие потери. В результате образуется значительный разброс в энергиях двух наблюдаемых в детекторах струй. Величина этого дисбаланса значительно превосходит величину, допускаемую статистическим разбросом разницы энергий струй без учета среды.
И.П.Лохтин отметил, что "новые эффекты в соударениях тяжелых ионов на LHC были замечены, и это только начало... Экспериментальный анализ коллективных эффектов в других каналах (фотон + струя, кварконии, тяжелые кварки и т.д.) станет возможным по мере накопления статистики и увеличения светимости и энергии LHC".
Также докладчик обратил внимание на хорошее совпадение измеренных значений асимметрии с результатами теоретических вычислений, основанных на учете угловых зависимостей потерь энергии жесткими кварками и глюонами в высокотемпературной сильновзаимодействующей среде.
Однако асимметрия энергии струй (как и других пробников с большими поперечными импульсами) - это далеко не единственный способ измерить потери энергии конституентов в среде, а, следовательно, и сделать оценки параметров самой среды - плотности энергии, температуры, барионной плотности. Михаил Владимирович Токарев (ОИЯИ) показал, как такие оценки можно сделать на основании анализа экспериментальных данных по инклюзивным спектрам рождения адронов в протон-протонных взаимодействиях в рамках теории z-скейлинга. На примере данных эксперимента CMS при энергии столкновений 2,36 и 7 ТэВ он показал универсальное поведение распределений частиц при малых поперечных импульсах и представил численные оценки величин потерь энергии для частиц с относительно малыми поперечными импульсами.
В завершившей круглый стол оживленной дискуссии прозвучала общая мысль о необходимости более тщательных экспериментальных измерений, позволяющих получить новые данные о коллективных свойствах взаимодействий в условиях большой множественности, а также о безусловной необходимости сравнения данных, полученных в столкновениях протонов и тяжелых ядер. Только вся совокупность экспериментальных данных: зависимость наблюдаемых эффектов от множественности, энергии столкновений, числа первичных взаимодействующих адронов, - позволит понять природу этих явлений.
Сергей ШМАТОВ, ученый секретарь семинара
