ATLAS-Experiment berichtet über grundlegende Eigenschaften starker Wechselwirkungen

Die Quantennatur der Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen ermöglicht es, selbst aus so einfachen Prozessen wie der elastischen Streuung nicht triviale Schlussfolgerungen zu ziehen. Das ATLAS-Experiment am LHC-Beschleuniger berichtet über die Messung grundlegender Eigenschaften starker Wechselwirkungen zwischen Protonen bei ultrahohen Energien.

Die Physik der Kollisionen von Billardkugeln wird bereits in der frühen Schulzeit gelehrt. In guter Näherung sind diese Kollisionen elastisch, wobei sowohl Impuls als auch Energie erhalten bleiben. Der Streuwinkel hängt davon ab, wie zentral die Kollision war (dies wird oft durch den Aufprallparameterwert quantifiziert – den Abstand zwischen den Mittelpunkten der Kugeln in einer Ebene senkrecht zur Bewegung). Bei einem kleinen Aufprallparameter, der einer stark zentralen Kollision entspricht, sind die Streuwinkel groß. Mit zunehmendem Stoßparameter nimmt der Streuwinkel ab.

In der Teilchenphysik beschäftigen wir uns auch mit elastischen Kollisionen, bei denen zwei Teilchen unter Beibehaltung ihrer Identität kollidieren und in einem bestimmten Winkel zu ihrer ursprünglichen Bewegungsrichtung streuen. Auch hier besteht ein Zusammenhang zwischen dem Kollisionsparameter und dem Streuwinkel. Durch die Messung der Streuwinkel gewinnen wir Informationen über die räumliche Struktur der kollidierenden Teilchen und die Eigenschaften ihrer Wechselwirkungen.

Physiker des Instituts für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften führten im Rahmen der ATLAS-Kollaboration eine Messung der elastischen Streuung bei Proton-Proton-Kollisionen am LHC-Beschleuniger bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV durch.

Aufgrund der extrem kleinen Streuwinkel bei solchen Wechselwirkungen (weniger als ein Tausendstel Grad) erforderten die Messungen den Einsatz eines speziellen Messsystems. Sein Schlüsselelement war eine Reihe von Detektoren, die mehr als 200 Meter vom Kollisionspunkt entfernt platziert waren, aber in der Lage waren, gestreute Protonen in Abständen von nur wenigen Millimetern vom Beschleunigerstrahl zu messen.

Möglich wurde dies durch die Technik sogenannter römischer Töpfe, die es ermöglicht, Detektoren innerhalb des Strahlrohrs des Beschleunigers zu platzieren und während der Datenerfassung dicht an den Strahl heranzuführen. Ein wichtiger Beitrag der Krakauer Gruppe war die Arbeit am Trigger- und Datenerfassungssystem, ohne das keine Daten aufgezeichnet werden können.

Der zweite wichtige Bestandteil des Versuchsaufbaus war die spezielle Konfiguration der Magnetfelder, die den LHC-Beschleunigerstrahl formen. Bei typischen Messungen besteht das Ziel darin, die Strahlfokussierung zu maximieren, um die Häufigkeit interessanter Wechselwirkungen zu erhöhen. Allerdings weisen eng fokussierte Strahlen eine große Winkeldivergenz auf, was die Messung der elastischen Streuung praktisch unmöglich macht. Die spezielle Magnetkonfiguration minimiert diese Divergenz und sorgt für präzise Messungen.

Das direkte Ergebnis der Messung, veröffentlicht in European Physical Journal Cist die Verteilung des Streuwinkels, oder genauer gesagt – die Verteilung der Variablen t, die proportional zum Quadrat dieses Winkels ist. Aus der Form dieser Verteilung wurden Rückschlüsse auf die grundlegenden Eigenschaften der starken Kernwechselwirkungen zwischen Protonen bei sehr hohen Energien gezogen. Das Verfahren zum Extrahieren dieser Informationen basiert auf Quanteneigenschaften der elastischen Streuung – Effekte, die beim Billard nicht beobachtet werden.

Die erste dieser Eigenschaften ist das sogenannte optische Theorem, das eine Folge der Wahrscheinlichkeitserhaltung in Quantenprozessen ist. Es setzt elastische Wechselwirkungen mit inelastischen Wechselwirkungen in Beziehung (dh solche, bei denen zusätzliche Teilchen erzeugt werden). Da die Protonen in den untersuchten Kollisionen eine sehr hohe Energie haben, kommt es häufig zu inelastischen Prozessen. Das optische Theorem ermöglichte die Bestimmung des Wertes eines Parameters namens Gesamtquerschnitt aus Messungen ausschließlich elastischer Wechselwirkungen.

Der Wirkungsquerschnitt ist eine Größe, die in der Teilchenphysik verwendet wird, um die Wahrscheinlichkeit einer bestimmten Reaktion zu beschreiben. Der Gesamtquerschnitt beschreibt die Wahrscheinlichkeit einer Proton-Proton-Kollision jeglicher Art und hängt mit der Protonengröße zusammen. Das von der ATLAS Collaboration veröffentlichte Ergebnis ist die genaueste Messung dieses Parameters bei 13 TeV Energie.

Möglich wurde die hohe Präzision unter anderem durch die genaue Bestimmung der Detektorposition, für die die IFJ-PAN-Gruppe verantwortlich zeichnete. Das erhaltene Ergebnis bestätigt eine wichtige Eigenschaft starker Wechselwirkungen – die Vergrößerung des Gesamtquerschnitts mit zunehmender Kollisionsenergie. Man kann sich diesen Anstieg als eine mit der Energie zunehmende Protonengröße vorstellen.

Eine genaue Kenntnis des Gesamtwirkungsquerschnitts ist nicht nur für die Untersuchung starker Wechselwirkungen selbst, sondern auch in anderen Bereichen der Teilchenphysik von Interesse. Starke Wechselwirkungen sind beispielsweise relevant bei der Suche nach neuer Physik in Experimenten am LHC, wo sie als Hintergrund dienen, sowie in der kosmischen Strahlungsforschung, wo sie für die Entstehung kosmischer Luftschauer verantwortlich sind. Durch präzise Messungen von Größen wie dem Gesamtquerschnitt ist eine präzise Modellierung dieser Prozesse möglich.

Bei Proton-Proton-Kollisionen kann elastische Streuung über zwei Mechanismen auftreten: starke Kernwechselwirkung und Coulomb-Wechselwirkung, also die Abstoßung zwischen elektrischen Ladungen. Die zweite Konsequenz der Quantennatur des untersuchten Prozesses ist die Interferenz zwischen diesen Mechanismen. Die Interferenz hängt von deren Streuamplituden ab.

Die Streuamplitude ist ein Wahrscheinlichkeitsmaß der Quantenphysik. Im Gegensatz zur gewöhnlichen Wahrscheinlichkeit sind ihre Werte keine reellen Zahlen, sondern komplexe Zahlen. Daher wird es entweder durch seinen Betrag und seine Phase oder durch seinen Real- und Imaginärteil beschrieben. Da Coulomb-Wechselwirkungen gut verstanden sind und ihre Streuamplitude berechnet werden kann, gewinnen wir durch Messung der Interferenz Einblicke in den Real- und Imaginärteil der Kernamplitude.

Der experimentell gemessene Wert des Verhältnisses des Real- zum Imaginärteil der Kernamplitude fällt deutlich niedriger aus als die Vorhersagen theoretischer Modelle vor dem LHC. Diese Modelle basieren auf bestimmten Annahmen über die Eigenschaften der starken Wechselwirkungen. Die beobachtete Diskrepanz stellt diese Annahmen in Frage.

Die erste Annahme ist, dass bei sehr hohen Energien die Eigenschaften von Proton-Antiproton-Kollisionen dieselben sind wie die von Proton-Proton- und Antiproton-Antiproton-Kollisionen. Denn obwohl Protonen aus Quarks und Gluonen bestehen, kommt es bei hohen Energien überwiegend nur zwischen Gluonen zu Kollisionen. Da die Gluonenstruktur von Protonen und Antiprotonen gleich ist, geht man natürlich davon aus, dass die Wechselwirkungen in verschiedenen Systemen identisch sind. Wenn man einen Unterschied zulässt, der aufgrund der Quantennatur der Wechselwirkungen möglich ist, beschreiben die theoretischen Modelle die experimentellen Daten.

Die zweite Annahme der theoretischen Modelle betrifft das Wachstum des Gesamtquerschnitts mit der Energie. Es wurde angenommen, dass sein Charakter für Energien über den derzeit am LHC-Beschleuniger gemessenen Energien derselbe ist wie bisher beobachtet. Die beobachtete Diskrepanz kann auch durch eine Verlangsamung dieses Wachstums bei Energien oberhalb der LHC-Energie erklärt werden.

Beide betrachteten Hypothesen betreffen die grundlegenden Eigenschaften der starken Wechselwirkung bei hohen Energien. Unabhängig davon, welche Aussage zutrifft, geben die berichteten Messungen Aufschluss über unser Verständnis der grundlegenden Wechselwirkungen von Teilchen.

Derzeit werden die in den beschriebenen Studien verwendeten Detektoren für weitere Messungen der elastischen Streuung bei noch höheren Energien vorbereitet. Das Institut für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften erforscht auch andere Prozesse, bei denen sowohl starke als auch elektromagnetische Wechselwirkungen eine wichtige Rolle spielen. Die Technik römischer Töpfe spielt in diesen Studien eine entscheidende Rolle.