Учасники експериментів TOTEM на Великому адронному колайдері і D^ на Теватроні у спільній роботі повідомили про відкриття оддерону. Ця віртуальна безбарвна частинка з непарного числа глюонів (найчастіше - з трьох), якою адрони обмінюються в упругих зіткненнях при високих енергіях, була передбачена в рамках квантової хромодинаміки - теорії сильних взаємодій елементарних частинок. Такий результат в черговий раз підтверджує спроможність цієї теорії і демонструє, що протон при упругому розсіянні на протоні і антипротоні поводиться по-різному. Коротко про відкриття повідомляє CERN Courier, препринт статті доступний на сайті arxiv.org.
Зазвичай на таких прискорювачах, як Великий адронний колайдер в ЦЕРНі або Теватрон в Національній Прискорювальній Лабораторії Фермі (вона ж Фермілаб), основну увагу приділяють неспругим зіткненням частинок. Саме в результаті таких зіткнень, в яких два протони або ядра, що летять назустріч один одному, стикаються майже лоб в лоб і «розвалюються» на кварки і глюони, практично вся кінетична енергія йде на народження нових частинок і екзотичних станів матерії. Тим не менш інтерес для вчених представляють і пружність зіткнення, коли самі прискорювані частинки в ході взаємодії один з одним не руйнуються, а лише змінюють траєкторію руху. Саме в упругих зіткненнях можна перевірити на міцність моделі, які пророкують, як саме ті чи інші частинки взаємодіють один з одним на високих енергіях.
Особливий інтерес для фізиків представляють пружність зіткнення протонів. Їх розсіювання один на одному при низьких енергіях визначається електромагнітною і сильною взаємодіями: перше здійснюється за рахунок обміну фотонами (переносниками цієї взаємодії), а друге - за рахунок обміну віртуальними мезонами, зокрема, півоніями (які, наприклад, відповідають і за взаємодію протонів і нейтронів в ядрах). Але зі зростанням енергії протонів, що стикаються, все більше значення набувають ефекти, передбачувані квантовою хромодинамікою. Згідно з цією теорією, при енергіях близько декількох тераелектронвольт процес упругого зіткнення протонів здійснюється за допомогою обміну глюонами - переносниками сильної взаємодії.
Виявляється, що і в цьому випадку для теоретичного опису такого процесу зручно припустити, що протони обмінюються віртуальною частинкою, що складається з декількох глюонів. При невеликих значеннях імпульсу, переданого в такому упругому зіткненні, цей процес добре описується обміном між протонами безбарвної віртуальною частинкою з парного числа глюонів - помероном. Сам померон - різновид реджеонів, які виникають в рамках теорії Редже і дозволяють добре описувати сильні взаємодії адронів при високих енергіях. Саме померони, згідно з передбаченнями квантової хромодинаміки, вносять основний внесок у перетин взаємодії протонів високих енергій. Крім померонів теоретично можуть виникати і схожі на них оддерони - теж глюонні безбарвні віртуальні частинки, в яких, однак, непарне число глюонів (у першому порядку - три). Існування таких частинок, у свою чергу, означало б, що два протони і протон з антипротоном братимуть участь у упругому розсіянні по-різному: саме оддерони, на відміну від померонів, мають негативну зарядову парність, через що взаємодіють з матерією інакше ніж з антиматерією.
Раніше вчені вже бачили сліди оддерону в експериментальних даних щодо протон-протонних зіткнень на Великому адронному колайдері, проте тоді вченим не вистачило статистичної точності для заяви про відкриття частинки. Тепер же фізики-учасники двох схожих експериментів TOTEM в ЦЕРНі і D^ в Фермілаб об'єднали свої дані з результатами попереднього аналізу і підтвердили існування оддерону. Завдяки тому, що TOTEM спостерігав за пружними зіткненнями протон-протонних пар на Великому адронному колайдері, а D^ - за упругими зіткненнями протонів і антипротонів на Теватроні, можна сказати, що саме оддерон давав внесок у відмінності між даними двох експериментів.
Самі відмінності в даних фізики шукали в залежностях виміреного диференційного перерізу упругих зіткнень пар протонів залежно від квадрата переданого імпульсу. Таким чином, дослідники фактично порівнювали ймовірності, з якими протон відхилиться від своєї початкової траєкторії на певну (дуже маленьку) величину при взаємодії з протоном або з антипротоном при певній енергії зіткнення. Як можна зрозуміти, для такого аналізу обидва експерименти повинні були дуже точно реєструвати імпульси протонів, що летять повз точки зіткнення на двох коллайдерах. На D^ для цього використовувалися детектори на основі сцинтиляційних волокон, розташовані на відстані 23 і 31 метра по різні сторони від області перекриття пучків протонів і антипротонів. Вони дозволяли вимірювати квадрат переданого імпульсу протонів і антипротонів з точністю аж до 0.02 квадратних гігаелектронвольт. У разі TOTEM з тими ж цілями використовувалися так звані Roman Pot детектори, які складалися з розставлених з інтервалом в 66 мікрометрів кремнієвих смужок товщиною в кілька десятих мікрометра. Кожен такий детектор складався з 10 пластин по 512 смужок в кожній, які були поставлені перпендикулярно один одному, і тим самим дозволяв реєструвати координати пролітаючих частинок.
Ще однією відмінністю двох експериментів була енергія зіткнення частинок. На TOTEM вона лежала в проміжку між 2,76 і 13 тераелектронвольт, в той час як на D^ зіткнення проходили тільки при енергії 1.96 тераелектронвольт. Щоб порівняти дані по упругому розсіянню пар протон-протон і протон-антипротон, експериментатори екстраполювали результати TOTEM на енергію D^. У підсумку виявилося, що отримана таким чином залежність диференційного перерізу не збігається з вимірами експерименту D^ зі статистичною точністю в 3,4º. Ця різниця між вимірами для протон-протонних і протон-антипротонних зіткнень і стала доказом існування оддерону: саме він у двох розглянутих випадках буде давати вклади різних знаків у значення амплітуди розсіювання частинок, що стикаються, і призводити до характерних відмінностей у розподілах диференційного перерізу.
Але для підтвердження існування оддерону необхідна статистична точність в 5º. Щоб досягти такого значення, вчені врахували результати дослідження упругих зіткнень протонів на тому ж експерименті TOTEM при енергії в 13 тераелектронвольт. Тоді фізикам вдалося показати, що поведінку параметра , рівного відношенню речової і комплексної складових амплітуди упругого розсіювання протонів, не можна пояснити тільки за допомогою померонів. Отримані результати розходилися з теоретичними моделями без урахування оддеронів зі статистичною точністю в 4,7º. Таким чином, сумарна статистична точність спостереження оддерону в даних експериментів TOTEM і D^ опинилася в проміжку між 5,2 і 5,7º( залежно від теоретичних моделей, використаних для перевірки експериментальних даних). Це означає, що вчені тепер можуть офіційно говорити про відкриття цієї частинки.
Це не перше відкриття, пов'язане з пружними подіями на Великому адронному колайдері: раніше фізики показали, що протони, які народжуються при пружних взаємодіях, можуть взаємодіяти і народжувати W-бозони. А про те, що ще вчені хочуть від коллайдерів, можна почитати в нашому матеріалі «100 ТэВ на перспективу».