ATLAS maß den Gesamtquerschnitt von Protonenkollisionen • Igor Ivanov • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • ATLAS-Detektor, Hadroneneigenschaften, Andere Experimente am LHC

ATLAS hat den Gesamtquerschnitt von Protonenkollisionen gemessen

Abb. 1. Voller Abschnitt (obere Daten) und der protonenelastische Streuquerschnitt (niedrigere Daten) bei unterschiedlichen Kollisionsenergien. In rot ATLAS-Messung wird gezeigt, schwarzes Quadrat – neues TOTEM-Ergebnis, schattierte Zeichen – Ergebnisse anderer Collider-Experimente, leere Zeichen – Daten aus der kosmischen Strahlung. Die Kurven zeigen die beste theoretische Annäherung der Daten. Bild aus dem Artikel zur Diskussion

In einem kürzlich erschienenen Vorabdruck wurde die Streuung in pp Kollisionen bei √s = 7 TeV mit dem ATLAS-Detektor Die ATLAS-Kollaboration meldet die Ergebnisse der Messung des Gesamtquerschnitts von Protonenkollisionen bei einer Energie von 7 TeV. Definitionsgemäß beschreibt diese Größe die Wahrscheinlichkeit, dass eine Kollision mit Protonen auftritt alles (oder vielmehr, zumindest etwas aufgrund der starken Interaktion). Dies ist in der Tat die Summe aller Abschnitte bestimmter hadronischer Prozesse. Dieser Wert spielt eine wichtige Rolle beim Verständnis, wie Protonen bei hohen Energien sind und wie sie zusammenstoßen. Da der gesamte Protonenquerschnitt bei hohen Energien für die vorliegende theoretische Berechnung noch nicht zugänglich ist, muss er auf der Basis verschiedener Annahmen modelliert werden.Darüber hinaus gibt es jetzt mehrere konkurrierende theoretische Modelle dieses Prozesses. Seine "Visitenkarte" und gleichzeitig einer der Hauptpunkte der Kontroverse ist die Tatsache, dass dieser Querschnitt mit zunehmender Energie sehr ungewöhnlich langsam wächst (Abb. 1). Daher wird ein genaues Wachstumsmesssystem ein besseres Verständnis dieser Modelle ermöglichen.

Die Messung, die in dem Artikel beschrieben wird, ist von einer speziellen Art, es sieht nicht wie die überwältigende Mehrheit von Messungen aus, die am Collider durchgeführt werden. Daher wäre es nützlich, die Hauptmerkmale dieser Art von Messung zumindest kurz zu erwähnen.

Erstens ist der Gesamtquerschnitt der Proton-Proton-Wechselwirkung bei den Standards der Mikrowelt so groß, dass seine Messung eine kleine Leuchtkraft erfordert – andernfalls wird der Detektor in den Daten ertrinken. Das veröffentlichte Ergebnis wurde bei einer Leuchtstärke von 80 μb erhalten-1Das sind nur Milliardstel der gesamten Leuchtkraft des LHC. Aber selbst mit einer so geringen Leuchtkraft wurden Millionen von Ereignissen gesammelt, die es ermöglichten, den statistischen Fehler erheblich zu reduzieren.

Zweitens wird dieser Prozess nicht direkt gemessen, indem alle möglichen Kollisionen summiert werden, sondern indem eine tiefe Verbindung zwischen dem Gesamtquerschnitt und der elastischen Streuung in der strikt nach vorne gerichteten Richtung verwendet wird (die Formel, die diese Verbindung ausdrückt, wird optischer Satz genannt).Diese Streuung ist auch für die direkte Beobachtung unzugänglich: Denn wenn Protonen nach einer Kollision strikt nach vorne fliegen, dann sind sie für einen Detektor keineswegs von Protonen unterscheidbar, die ohne Wechselwirkung gerade aneinander vorbeiflogen. Daher wird diese Messung wie folgt durchgeführt: Die elastische Streuung wird in sehr kleinen, aber nicht von Null verschiedenen Winkeln bis zu mehreren Winkelsekunden untersucht, und dann werden die Daten auf den Nullwinkel extrapoliert (Fig. 2). Diese Extrapolation führt zu einem zusätzlichen Fehler, der jedoch klein ist.

Abb. 2 Der Querschnitt der elastischen Streuung von Protonen bei sehr kleinen Winkeln nach ATLAS. Die Daten wurden im transversalen Pulsbereich von 0,1 GeV und darüber erhalten (gem horizontale Achse das Quadrat dieses Wertes wird angezeigt). Die Extrapolation dieser Abhängigkeit auf das Null-Transversalmoment ermöglicht die Bestimmung des gesamten Streuquerschnitts. Bild aus dem Artikel zur Diskussion

Drittens, da es notwendig ist, die Streuung bei sehr kleinen Winkeln zu untersuchen, sollten die ursprünglichen Strahlen im Modus der kleinsten Winkeldivergenz kollidieren. Während des normalen Betriebs des Colliders ist diese Bedingung nicht erfüllt. Daher wird eine solche Messung während kurzer Sitzungen mit defokussierten Strahlen durchgeführt.Die im Artikel beschriebenen Daten wurden während einer solchen Sitzung im Jahr 2011 gesammelt. Da herkömmliche Detektoren nicht in der Lage sind, Protonen zu detektieren, die unter solch kleinen Winkeln gestreut werden, werden spezielle Detektorstationen verwendet, die unter Verwendung der Detektortechnologie von Roman Pots aufgebaut sind, um sie zu erfassen. Die Anwendung dieser Detektoren am LHC wurde in unserer Aufgabe Vorwärtsdetektor am LHC analysiert. Mehrere solcher Detektoren wurden am Large Hadron Collider installiert; In dieser Arbeit wurde eine mit dem ATLAS-Detektor verwandte ALFA-Station verwendet.

Gemäß den Ergebnissen dieser Messung war der Gesamtquerschnitt der Proton-Proton-Streuung gleich σtot(pp) = 95,35 ± 1,30 mb. Elastische und inelastische Querschnitte und einige andere Prozessparameter wurden ebenfalls gemessen. Bislang gab es nur eine Messung dieser Menge bei einer Energie von 7 TeV, die 2011 von der TOTEM-Kollaboration erhalten wurde; es ergab dann 98,6 ± 2,2 mb. Das aktuelle ATLAS-Ergebnis ist etwas niedriger, aber der Unterschied zwischen den beiden Dimensionen ist nicht zu groß, siehe Abb. 1. Und beide Ergebnisse sind um eine Größenordnung genauer als das, was Physiker vor der LHC-Ära aus der Analyse der kosmischen Strahlung wussten. In Verbindung mit zukünftigen Messungen des Gesamtquerschnitts bei 13-14 TeV ermöglichen diese Messungen, besser zu verstehen, welches Modell der Protonenanordnung bei hohen Energien die Realität adäquater beschreibt.


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