利用强子对撞机碰撞实验科学家寻找除弹性碰撞之外发生了什么

　　几乎加速到光速的质子可以像台球一样碰撞。然而，由于质子是量子粒子，通过测量这种碰撞，我们可以了解关于强相互作用的不明显的事情。资料来源：IFJ PAN

　　基本粒子之间相互作用的量子性质允许从弹性散射这样简单的过程中得出非平凡的结论。大型强子对撞机加速器的ATLAS实验报告了超高能量下质子之间强相互作用的基本性质的测量。

　　台球碰撞的物理学是从学龄早期开始教授的。在一个很好的近似中，这些碰撞是弹性的，其中动量和能量都是守恒的。散射角取决于碰撞的中心程度（这通常通过撞击参数值来量化，即垂直于运动的平面中球中心之间的距离）。在小冲击参数（对应于高度中心碰撞）的情况下，散射角很大。随着撞击参数的增加，散射角减小。

　　在粒子物理学中，我们也处理弹性碰撞，当两个粒子碰撞时，保持它们的身份，并散射到它们原来的运动方向一定的角度。在这里，我们也有碰撞参数和散射角之间的关系。通过测量散射角，我们获得了有关碰撞粒子的空间结构及其相互作用性质的信息。

　　作为ATLAS合作的一部分，来自波兰科学院核物理研究所的物理学家在大型强子对撞机加速器的质子 - 质子碰撞中的弹性散射进行了测量，质心能量为13 TeV。

　　由于这种相互作用中的散射角极小（小于千分之一度），测量需要使用专用的测量系统。它的关键元件是一组距离碰撞点200多米的探测器，但能够测量距离加速器光束仅几毫米的散射质子。

　　这是通过所谓的罗马罐技术实现的，该技术允许将探测器放置在加速器光束管内，并在数据采集过程中靠近光束。克拉科夫小组的一个重要贡献是关于触发和数据采集系统的工作，没有该系统就无法记录任何数据。

　　实验装置的第二个重要组成部分是塑造大型强子对撞机加速器光束的磁场的特殊配置。在典型的测量中，目标是最大化光束聚焦，以增加有趣相互作用的频率。然而，紧密聚焦的光束具有较大的角发散，使得弹性散射的测量几乎是不可能的。特殊的磁体配置最大限度地减少了这种分歧，并确保了精确的测量。

　　发表在欧洲物理学杂志C上的测量的直接结果是散射角的分布，或者更准确地说 - 变量t的分布，它与该角度的平方成正比。关于非常高能量质子之间核强相互作用的基本性质的结论是从这种分布的形状中得出的。提取这些信息的过程基于弹性散射的量子特性——在台球游戏中没有观察到的效应。

　　这些性质中的第一个是所谓的光学定理，它是量子过程中概率守恒的结果。它将弹性相互作用与非弹性相互作用（即产生额外粒子的相互作用）联系起来。由于所研究的碰撞中的质子具有非常高的能量，因此经常发生非弹性过程。光学定理允许仅通过弹性相互作用的测量来确定称为总横截面的参数的值。

　　横截面是粒子物理学中用于描述特定反应可能性的量。总横截面描述了任何类型的质子-质子碰撞的机会，并与质子大小有关。ATLAS协作组织公布的结果是在13 TeV能量下对该参数的最精确测量。

　　除其他因素外，高精度是通过精确确定探测器位置来实现的，IFJ PAN小组对此负责。获得的结果证实了强相互作用的一个重要性质 - 总截面随着碰撞能量的增加而增加。这种增加可以被认为是质子大小随能量的增加。

　　准确了解整个横截面不仅对研究强相互作用本身感兴趣，而且对粒子物理学的其他领域也有意义。例如，在大型强子对撞机的实验中寻找新的物理学，它们充当背景，以及在宇宙射线研究中，它们负责宇宙空气淋浴的发展，强相互作用是相关的。由于对总量（如总横截面）的精确测量，可以对这些过程进行精确建模。

　　在质子-质子碰撞中，弹性散射可以通过两种机制发生：强核相互作用和库仑相互作用，即电荷之间的排斥。所研究过程的量子性质的第二个结果是这些机制之间的干扰。干扰取决于它们的散射幅度。

　　散射振幅是量子物理学中使用的概率度量。与普通概率不同，它的值不是实数，而是复数。因此，它要么用它的大小和相位来描述，要么用它的真实和虚构部分来描述。由于库仑相互作用很好理解，并且可以计算它们的散射幅度，通过测量干扰，我们可以深入了解核振幅的真实部分和虚部。

　　核振幅实部与虚部之比的实验测量值明显低于大型强子对撞机前理论模型的预测。这些模型遵循有关强相互作用属性的某些假设。观察到的差异对这些假设提出了挑战。

　　第一个假设是，在非常高的能量下，质子-反质子碰撞的性质与质子-质子和反质子-反质子碰撞的性质相同。这是因为，尽管质子由夸克和胶子组成，但高能量的碰撞主要发生在胶子之间。由于质子和反质子的胶子结构相同，因此自然假设不同系统中的相互作用是相同的。由于相互作用的量子性质，允许差异成为可能，使理论模型描述实验数据。

　　理论模型的第二个假设涉及总横截面与能量的增长。据推测，它的能量高于目前在大型强子对撞机加速器上测量的能量的特征与迄今为止观察到的能量相同。观察到的差异也可以解释为在高于LHC能量的能量下这种增长的减缓。

　　两种假设都涉及高能下强相互作用的基本性质。无论哪一个是正确的，报告的测量结果都揭示了我们对粒子基本相互作用的理解。

　　目前，正在准备所述研究中使用的探测器，以进一步测量更高能量下的弹性散射。波兰科学院核物理研究所也在研究强相互作用和电磁相互作用发挥重要作用的其他过程。罗马罐的技术在这些研究中起着至关重要的作用。

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　　原标题：《『利用强子对撞机碰撞实验，科学家正在寻找除弹性碰撞之外发生了什么》

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