库伦式台球(量子质子台球:ATLAS实验报告强相互作用的基本性质)

量子质子台球:ATLAS实行报告强互相作用的基本实质

质子增速到接近光速时，可以像台球一样碰撞。但是，由于质子是量子粒子，经过丈量这种碰撞，我们可以了解到关于强互相作用的不分明的事变。材料泉源:IFJ PAN

基本粒子之间互相作用的量子实质使得即使从像弹性散射如此简便的历程中也能得出紧张的结论。大型强子对撞机增速器上的ATLAS实行报告了对超高能量质子之间强互相作用的基本特性的丈量。

台球碰撞的物理学从学校早前就开头传授。在一个很好的近似中，这些碰撞是弹性的，动量和能量都是守恒的。散射角取决于碰撞的中央地点(这通常经过碰撞参数值来量化——垂直于活动的平面上球中央之间的距离)。当碰撞参数较小时，对应于高度中央碰撞，散射角较大。随着打击参数的增大，散射角减小。

在粒子物理中，我们也处理弹性碰撞，当两个粒子碰撞时，坚持它们的身份，并向它们的原始活动朝向散射一定角度。在这里，我们也取得了碰撞参数和散射角之间的干系。经过丈量散射角，我们可以取得碰撞粒子的空间布局和互相作用的实质。

波兰封建院核物理研讨所的物理学家，作为ATLAS互助项目标一局部，在LHC增速器上举行了质子-质子碰撞的弹性散射丈量，质心能量为13 TeV。

由于这种互相作用的散射角极小(小于千分之一度)，丈量必要使用自用的丈量体系。它的紧张元素是一组探测器，这些探测器安排在距离碰撞点200米的场合，可以丈量距离增速器束仅有几毫米的散射质子。

这是经过所谓的罗马罐武艺完成的，该武艺允许将探测器安排在增速器束流管中，并在数据收罗历程中接近束流。克拉科夫小组的一项紧张奉献是关于触发和数据收罗体系的事情，没有这个体系就无法纪录数据。

实行安装的第二个紧张构成局部是构成大型强子对撞机增速器束流的特别磁场设置。在典范的丈量中，目标是最大化光束聚焦，以增长幽默的互相作用的频率。但是，紧聚焦光束有很大的角散度，使得丈量弹性散射实践上是不成能的。特别的磁铁设置最大限制地变小了这种不合，并确保准确的丈量。

这项丈量的直接后果公布在《欧洲物理杂志C》上，是散射角的分布，大概改准确地说，是变量t的分布，它与散射角的平方成恰比。关于高能质子间核强互相作用的基本实质的结论，是从这个分布的外形中得出的。提取这些信息的历程是基于弹子游戏中没有察看到的弹性散射效应的量子特性。

这些实质中的第一个是所谓的光学定理，它是量子历程中概率守恒的后果。它将弹性互相作用与非弹性互相作用(即产生分外粒子的互相作用)接洽起来。由于所研讨的碰撞中的质子具有很高的能量，因此常常产生非弹性历程。光学定理允许仅从弹性互相作用的丈量中确定一个称为总横截面的参数的值。

横截面是粒子物理学中用来形貌某一特定反响产生约莫性的一个量。总横截面形貌了任何典范的质子-质子碰撞的时机，并与质子的轻重有关。ATLAS互助构造公布的后果是在13 TeV能量下对该参数的最准确丈量。

除其他要素外，高精度是由于探测器地点的准确确定，这是IFJ PAN小组卖力的。所得后果证实了强互相作用的一个紧张实质——总横截面随碰撞能量的增长而增大。这种增长可以以为是质子的轻重随着能量的增长而增长。

对总横截面的准确了解不仅对研讨强互相作用本身，并且对粒子物理学的其他范畴都故意义。强互相作用是干系的，比如，在大型强子对撞机的实行中寻觅新的物理学，它们作为背景，以及在宇宙射线研讨中，它们卖力宇宙氛围阵雨的提高。由于对总横截面等量的准确丈量，这些历程的准确建模成为约莫。

在质子-质子碰撞中，弹性散射可以经过两种机制产生:强核互相作用和库仑互相作用，即电荷之间的排挤。研讨历程的量子实质的第二个后果是这些机制之间的干扰。干涉取决于它们的散射振幅。

散射振幅是量子物理学中使用的概率度量。与平凡概率不同，它的值不是实数，而是复数。因此，它可以用它的幅度和相位来形貌，大概用它的实部和虚部来形貌。由于库仑互相作用被很好地域解，它们的散射振幅可以盘算，经过丈量干涉，我们可以了解核振幅的实部和虚部。

核振幅实部与虚部之比的实行丈量值分明低于lhc前实际模子的猜测值。这些模子基于对强互相作用实质的某些假定。察看到的差别挑唆了这些假定。

第一个假定是，在十分高的能量下，质子-反质子碰撞的实质与质子-质子和反质子-反质子碰撞的实质相反。这是由于，固然质子是由夸克和胶子构成的，但高能碰撞主要产生在胶子之间。由于质子和反质子的胶子布局是相反的，天然的假定是不同体系中的互相作用是相反的。由于互相作用的量子实质，允许存在差别使得实际模子可以形貌实行数据。

实际模子的第二个假定触及总横截面随能量的增长。据推测，它的能量特性高于现在在大型强子对撞机增速器上丈量到的能量特性，与迄今为止察看到的相反。观察到的差别也可以用LHC能量以上的能量增长放缓来表明。

两种假定都触及高能强互相作用的基本实质。不管哪一种说法是准确的，报道的丈量后果让我们对粒子的基本互相作用有了更深化的了解。

现在，上述研讨中使用的探测器正在准备中，以便进一步丈量更高能量的弹性散射。波兰封建院核物理研讨所也正在对强互相作用和电磁互相作用都发扬紧张作用的其他历程举行研讨。罗马陶罐武艺在这些研讨中起着至关紧张的作用。

更多材料:G. Aad et al .， s√=13 TeV pp碰撞弹性散射的总截面和ρ参数的ATLAS探测器丈量，欧洲物理学报C(2023)。DOI: 10.1140 / epjc / s10052 - 023 - 11436 - 8