В подавляющем большинстве случаев сталкивающиеся на LHC протоны разрушаются и порождают десятки и сотни адронов, из которых физикам требуется вылавливать интересующие их частицы. Однако иногда эти столкновения выглядят на редкость чисто. Центральные детекторы регистрируют лишь одну-две частицы, а сами протоны в столкновениях выживают и просто улетают в трубу, лишь чуть-чуть отклонившись от своей первоначальной траектории. Взаимодействие протонов в этом случае по-прежнему может быть сильным, но только проявляется это сильное взаимодействие в особом режиме — в виде адронной дифракции. Подробнее про этот процесс можно прочитать в сообщении Дифракция в физике элементарных частиц.
Если говорить в терминах отдельных частиц, то во время адронной дифракции протон испускает померон — особый динамический объект, состоящий из нескольких глюонов. Померон может сталкиваться либо со встречным протоном, либо с испущенной им частицей — вторым помероном или фотоном (рис. 1). В столкновении могут рождаться одиночные частицы — мезоны или даже хиггсовский бозон, — и детектор тогда увидит результат их распада, не «забитый» никакими помехами от посторонних адронов. Сечение рождения этих частиц, их поляризация и зависимость от энергии позволяют узнать такие особенности сильного взаимодействия, которые трудно заметить в обычных столкновениях.
Многостороннее исследование адронной дифракции — одна из научных задач Большого адронного коллайдера, пусть и не такая животрепещущая, как поиск Новой физики. Эти процессы изучаются на специализированном детекторе TOTEM, а также на больших детекторах коллайдера; там, в частности, ведется поиск центрального эксклюзивного рождения бозона Хиггса. Эти процессы также изучаются и в столкновении тяжелых ядер.
Недавно коллаборация LHCb опубликовала результаты исследования одного очень популярного в этой области процесса — дифракционного рождения J/ψ-мезона (именно он и показан на рис. 1c). Этот процесс изучался и раньше; очень много данных по нему было получено в 90-е годы на электрон-протонном коллайдере HERA в Германии. Однако энергия фотон-протонных столкновений на том коллайдере была невелика, порядка 200 ГэВ. Данные тогда показывали плавный степенной рост сечения с энергией. Этот рост отражает тот факт, что с повышением энергии в протоне всё больше и больше увеличивается количество партонов. Физикам было интересно, насколько далеко продолжится степенной рост, ведь согласно общим законам микромира он не может продолжаться бесконечно.
Рис. 2. Сечение рождения J/ψ-мезона в дифракционном столкновении в зависимости от энергии. Изображение с сайта cerncourier.com
На LHC этот процесс можно изучить при энергиях больше 1 ТэВ. В новой публикации LHCb приводятся данные по этой зависимости (она показана на рис. 2), а также по другим характеристикам процесса адронной дифракции. Результаты показывают, что степенной рост продолжается практически без изменений. Это означает, что плотность партонов внутри протона продолжает исправно увеличиваться даже при таких энергиях. Никакого особого эффекта слияния партонов, — так называемого насыщения партонной плотности — не видно. Подробности об этом явлении можно найти в нашей новости Какую форму имеет быстролетящий протон?
В ближайшие годы благодаря повышению энергии Большого адронного коллайдера физикам удастся промерять этот процесс вплоть до энергий в несколько ТэВ. Интересно будет узнать, начнутся ли при таких энергиях эффекты рекомбинации партонов внутри протона.
Рис. 1. Некоторые процессы адронной дифракции: (a) упругое рассеяние протонов за счет обмена помероном, (b) рождение мезона в столкновение двух померонов друг с другом, (c) рождение J/ψ-мезона в столкновении фотона с помероном