Данные CMS помогут разобраться с недавно появившейся загадкой космических лучей

Зависимость сечения рождения частиц от энергии, измеренной детектором CASTOR. Черные точки и желтые области — данные с их погрешностями, цветные гистограммы — предсказания разных моделей адронных процессов, используемых для моделирования космических ливней. Изображение из обсуждаемой статьи

Прелесть фундаментальной физики в том, что одно и то же явление может проявляться в совершенно разных процессах. Пожалуй, самый впечатляющий пример — это тесная связь физики микромира и эволюции Вселенной: один и тот же процесс с элементарными частицами может влиять и на поведение частиц в коллайдере, и на строение ранней горячей Вселенной. Есть много примеров этой взаимосвязи между астрофизическими и микроскопическими измерениями, и с некоторыми из них пытается разобраться Большой адронный коллайдер.

Один из них — это связь между распределением частиц, рождающихся на LHC в столкновениях протонов, и формой широкого атмосферного ливня, который порождают частицы космических лучей сверхвысокой энергии. Космические лучи — это, в основном, протоны, разогнанные в астрофизических катаклизмах до больших энергий и случайно попавшие на Землю. Столкнувшись с ядром высоко в атмосфере, они порождают широкий ливень — поток вторичных частиц, развивающийся в атмосфере и порождающий атмосферные мюоны. И сами эти мюоны, достигшие поверхности Земли, и свечение, вызываемое ливнем в атмосфере, регистрируются современными детекторами космических лучей, рекордсменом среди которых является обсерватория им. Пьера Оже (Pierre Auger Observatory).

Форма ливня и величина мюонного потока зависят от микроскопических фундаментальных характеристик: от того, как протоны сверхвысоких энергий взаимодействуют с ядрами, какие частицы при этом рождаются и в каких направлениях они предпочитают вылетать. Но тот же самый процесс можно изучать и на Большом адронном коллайдере. Только вместо эффектов Новой физики и прочей экзотики надо сфокусироваться на частицах, вылетающих «вперед», то есть близко к оси столкновений. На LHC есть специальные форвард-детекторы, которые как раз изучают такие частицы. Их измерения позволят лучше разобраться с этим процессом в лаборатории и, следовательно, построить более точные модели для описания атмосферных ливней. Измерения ливней от космических лучей, в свою очередь, позволят протестировать предсказания этих моделей в той области энергии, до которой LHC самостоятельно добраться не может.

Это симбиотическое исследование ведется довольно давно, но в конце прошлого года здесь стала вырисовываться загадочная несостыковка. Результаты новых измерений обсерватории им. Пьера Оже, опубликованные в конце октября, показали примерно полуторакратное превышение адронной составляющей ливней по сравнению со всеми моделями (см. Pierre Auger Collaboration, 2016. Testing Hadronic Interactions at Ultrahigh Energies with Air Showers Measured by the Pierre Auger Observatory). Непосредственного конфликта с данными коллайдера тут нет, поскольку энергетические диапазоны слегка различаются. Но всё равно ситуация некомфортная: выходит, адронные модели, тщательно настроенные на данные LHC на энергии столкновений 8 ТэВ (сеанс Run 1), дают сбой при экстраполяции.

Сейчас, когда физики вовсю анализируют результаты сеанса Run 2 на энергии 13 ТэВ, появляется шанс улучшить описание моделей и разобраться с причиной расхождения. Именно с этой целью коллаборация CMS провела недавно тщательный анализ частиц, вылетающих в направлениях, очень близких к оси столкновений. Поток таких частиц измеряется не основным детектором CMS, а специальным «дочерним» детектором CASTOR, вынесенным за пределы основного детектора и как бы охватывающем вакуумную трубу, по которой движутся протоны. Эти данные были набраны еще в 2015 году, пока светимость коллайдера оставалась низкой. Анализ завершился только на днях, и его результаты были представлены в статье Measurement of the inclusive energy spectrum in the very forward direction in proton-proton collisions at sqrt(s) = 13 TeV (arXiv:1701.08695), появившейся в архиве препринтов.

На рисунке показан характерный пример полученных распределений. Здесь черными точками показано сечение этого процесса в зависимости от полной энергии частиц, попавших в детектор CASTOR. Разноцветные гистограммы — результаты моделирования на основе программы PYTHIA8 с теми параметрами, которые используются в физике космических лучей. Видно, что расхождение между моделями существенное и усиливается с ростом энергии. Например, красная пунктирная гистограмма даже близко не совпадает с данными в области выше 1 ТэВ. Это вариант модели с искусственно отключенным многопартонным рассеянием (так называют процесс, когда в соударении двух протонов реально сталкивается друг с другом не одна пара встречных кварков или глюонов, а больше). Получается, что свойства многокилометрового атмосферного ливня кардинально зависят от того, сколько кварков или глюонов внутри протона сталкиваются со встречным ядром!

Другие, более реалистичные варианты модели все равно недостаточно хорошо совпадают с данными. Причем выяснилось, что с электромагнитной составляющей этого потока частиц (фотоны, пи-нуль мезоны, электрон-позитронные пары) всё более-менее в порядке — а вот адронная составляющая отличается сильно для всех вариантов. Поскольку именно адронная часть атмосферного ливня порождает мюоны, то, видимо, она и была источником расхождения между данными обсерватории им. Пьера Оже и теоретическими моделями. Сейчас, благодаря этим данным CMS физики надеются построить новые, более реалистичные модели развития атмосферных ливней и тем самым разрешат возникшую загадку.