Най-значимо научно постижение на ИЯИЯЕ-БАН за 2021 година
Първо експериментално наблюдение на обмен на одерони при еластични протон-протонни и протон-антипротонни взаимодействия
Експериментът TOTEM
Сблъсъците на протони в ускорителя LHC (Large Hadron Collider) в ЦЕРН, осигуряват възможност за изследване на много явления, включително и на самите протони. Това е физиката, за която е предназначен експериментът ТОТЕМ (TOTal cross section, Elastic scattering and diffraction dissociation Measurement at the LHC). Той прави прецизни изследвания на протоните, разсеяни под много малки ъгли, район, недостъпен за останалите експерименти на LHC, като изследва сеченията за взаимодействия на протони и тяхната структура. Детекторите на ТОТЕМ са разположени от двете страни на експеримента CMS (Compact Muon Solenoid), като използва същите периоди за набор на данни и регистрира протони, разсеяни при сблъсъците в центъра на CMS. По тази причина през 2015 г. експериментите CMS и ТОТЕМ обединяват усилията си за координирано използването на своите детектори и за извършване на комбинирани измервания.
Померони и одерони
Повечето високоенергетични взаимодействия са нееластични, т.е. протоните биват „разбивани“ до изграждащите ги кварки и глуони. Но в около 25% от случаите, сблъсъците протичат под формата на еластично разсейване, където протоните запазват целостта си, но имат леко отклонение от първоначалната посока на движение – около милиметър на 200 м изминат път. Детекторите на ТОТЕМ са локализирани на 220 м от центъра на експеримента CMS и измерват тези малки отклонения. Подобно е разпределението и на детекторите на експеримента DØ (D Zero), разположен на ускорителя Tevatron в Фермилаб (Fermi National Accelerator Laboratory), с тази разлика, че на Tevatron се осъществяват сблъсъци между протони и антипротони.
При ниски енергии, разликата между pp (протон-протонно) и ppbar (протон-антипротонно) разсейване се обясняват чрез обмена на различни виртуални мезони. Но при енергии от няколко TeV, взаимодействията между протоните се очаква да бъдат пренасяни само от глуони.
Одеронът, както и Померонът, са въведени в рамките на теорията на Редже (траектории и полюси). В последствие, с развитието на квантовата хромодинамика, идва тяхната интерпретация като обмен на четен и нечетен брой глуони. Състояния, които се формират от два, три или повече глуони, се наричат с общото название глуболи и са обекти, дължащи се единствено на силното взаимодействие. Например, еластичното разсейване при високи енергии, с малък обмен на импулс, се обяснява чрез обмен на померони – фамилия от виртуални, цветно-неутрални глуболи, съставени от четен брой глуони. През 1973, анализирането на протон-протонни взаимодействия, наблюдавани на ISR (The Intersecting Storage Rings) показва постоянно нарастващото пълно сечение за протон-протонни взаимодействия, което води до теоретичното предсказание за обмен на нечетен брой глуони, т.н. одерони (odderon – от odd, нечетен) [Łukaszuk, L., Nicolescu, B. A possible interpretation of pp rising total cross-sections. Lett. Nuovo Cimento 8, 405–413 (1973)].
Експериментални измервания
През 2018 година ТОТЕМ докладваха измервания, които трудно се съгласуваха с традиционно обяснение за обмен на померони. Вместо това се наблюдава друг обект, който съответства на модел на свързано състояние от три глуона или на обмен на по-голям нечетен брой глуони. По тази причина е изследван параметъра ρ, който представлява отношението между реалната и имагинерната част на амплитудата на еластичното разсейване напред, в случаите с минимален обмен на глуони между взаимодействащите протони, така че техните траектории да са с най-малко отклонение от първоначалната посока. Резултатите от тези измервания бяха доказателство за евентуалното съществуване на одерона, но не достатъчни за да се обяви неговото откритие.
Новото изследване, обединяващо изследванията, проведени от експериментите TOTEM и DØ, се базира на моделно независим метод на данни от събития със средно голям обмен на напречен импулс. TOTEM и DØ сравняват pp данни от LHC, събрани при енергии от 2.76, 7 и 8 TeV, като след това резултатите са екстраполирани до 1.96 TeV, с ppbar данни от Tevatron, записани при 1.96 TeV. В амплитудата на разсейване се очаква одеронът да допринася с различен знак при pp и ppbar. В подкрепа на това очакване е наблюдаваната разлика в рамките на 3.4 стандартни отклонения между измерванията на двата експеримента, което е доказателство за обмен на зарядово-нечетни глуонни състояния.
Комбинирането на резултатите от двете изследвания (2018 ТОТЕМ и TOTEM/D0 2020) води до статистическа значимост в рамките на 5.2 - 5.7 стандартни отклонения и позволява да се твърди, че това е първото експериментално наблюдение на одерона.
Фигура 1: Сечение за pp и ppbar като функция на обменения импулс. Показано е сравнение между резултатите на DØ за ppbar и на TOTEM за pp разсейване. Резултатите на ТОТЕМ (на LHC) са екстраполирани използвайки моделно-независим метод до енергии от 1.96 TeV, което е енергията в център на масите на Tevatron. С прекъснати линии е показан коридора от едно стандартно отклонение за резултатите на ТОТЕМ (pp разсейване). Най-дълбоката точка в едно такова разпределение се асоциира със стойността на обменения импулс t, при която имагинерната част на амплитудата на разсейване изчезва и остава само реалната част. Имагинерната част се доминира от приноса от обмен на Померони (състояния от четен брой глуони), докато реалната - от обмен на Одерони (състояния от нечетен брой глуони). В съгласие с теоретичните предсказания, най-ниските стойностите на сечението за pp са по-малки от тези при ppbar разсейване.
Публично потвърждение
През август 2021 г. учените от ТОТЕМ (CERN), съвместно с колаборацията DØ (Fermi Lab) публикуваха статия, с която потвърдиха съществуването на Oдерона [Abazov, V. M., ... Antchev, G. Atanassov. I., ... et al. Odderon exchange from elastic scattering differences between pp and ppbar data at 1.96 TeV and from pp forward scattering measurements. Phys. Rev. Lett. 127, 062003 (2021)] - неуловимата досега квази-частица, предречена преди 50 години. Статистическата значимост на комбинираните данни от анализ на протон-антипротон (DØ) и протон-протонни (ТОТЕМ) взаимодействия е по-голяма от 5 стандартни отклонения и се интерпретира като първото експериментално наблюдаване на обмен на фамилия от безцветни, зарядово нечетни комбинации от глуони – т.н. одерони. През септември 2021 статията е цитирана от публикация в Nature Reviews Physics [Leader, E. Discovery of the odderon. Nat Rev Phys 3, 680 (2021)].
Участие на България
Д-р Анчев има над 30 годишен опит в разработване на електронни устройства и системи при експерименти във физиката на високите енергии. Защитава в ИЯИЯЕ-БАН докторска дисертация по Физика на елементарните частици и високите енергии (експериментална техника на високите енергии) на тема „Електронна Апаратура на Детекторите Roman Pot на Експеримента ТОТЕМ“ (The TOTEM Roman Pot Electronics CERN). Притежава експертни познания по разработване на електронни устройства с помощта на съвременни програмни средства за проектиране. Има огромен опит с използване на програмни езици за описание на хардуерната част за сложни програмируеми логически матрици с висока степен на интеграция FPGAs. Разполага с дълбоки познания по отношение на процесори, интегрални схеми, компютърен хардуер и софтуер, методи за тестване и оценка на ефективността, надеждността и съвместимостта на отделните елементи в комплексни електронни системи.
Иван Атанасов (бивш служител на ИЯИЯЕ) е другият участник от България. Той е основен разработчик на система за т.нар. slow control на детекторите, която е базирана на програмната среда PVSS в CERN. Тази система включва измерването и контролирането на всички параметри на детекторите, както и управлението на ниско и високоволтови захранващи устройства.
Виртуална разходка в тунела на LHC
Повече подробности относно детекторите на TOTEM, може да намерите в записа “Виртуално посещение в тунела на Големия адронен колайдер в ЦЕРН, Женева”, на страницата на БАН.
