Der CMS-Detektor registriert Quantenkorrelationen von Pi-Mesonen • Igor Ivanov • Science News zu "Elementen" • LHC, CMS-Detektor, Hadroneigenschaften, Physik

CMS-Detektor registriert Quantenkorrelationen von Pi-Mesonen

Abb. 1. Multiple Partikelproduktionsschema bei der Kollision zweier hochenergetischer Protonen. Wenn es keine Quantenkorrelationen gäbe, würden Partikel einer Art (gezeigt) rote Pfeile) würde in beliebigen, nicht verwandten Winkeln fliegen (oberes Bild). In der Tat, dank der Bose-Einstein-Korrelationen, neigen Teilchen einer Art von Bosonen dazu, in enge Richtungen zu fliegen (unteres Bild). Graue Pfeile Partikel aller anderen Sorten sind gezeigt. Die Stärke der Korrelationen in diesen Figuren ist zur Klarheit hypertrophiert. (Abb. I. Ivanova.)

Die identischen Elementarteilchen, die in hochenergetischen Stößen geboren werden, helfen oder verhindern einander, in die gleiche Richtung zu fliegen, je nachdem, ob es sich um Bosonen oder Fermionen handelt. Dieser Quanteneffekt im Verhalten von Pi-Mesonen wird nun am LHC gemessen.

In den frühen Stadien des Large Hadron Colliders treten Protonenkollisionen sehr selten auf. Während die akkumulierten Statistiken für eine detaillierte Untersuchung der bekannten oder Entdeckung neuer Elementarteilchen zu klein sind, untersuchen die Physiker hauptsächlich die allgemeinen Eigenschaften einer Mehrteilchengeburt in einer Proton-Proton-Kollision – wie viele Teilchengeboren, wie sie in Geschwindigkeit verteilt sind, wie sie miteinander korrelieren.

Einer der Punkte auf dieser Messungsliste ist die Beobachtung. Bose-Einstein-Korrelationen zwischen Pi-Mesonen, die in ungefähr derselben Richtung von der Kollision ausgehen. In der Regel werden bei einer Protonen-Proton-Kollision bei hohen Energien mehrere Dutzend Hadronen geboren, die in verschiedene Richtungen auseinander fliegen (meist sind sie die hellsten Hadronen – positive, negative und neutrale Pi-Mesonen). Ihre Geburt geschieht fast unabhängig voneinander während der Hadronisierung einer super-heißen Quark-Gluon "Blase", die am Ort der Kollision von Protonen entstanden ist. Infolgedessen können die geborenen Partikel unter verschiedenen Winkeln und mit verschiedenen Impulsen fliegen.

Dieses Bild wird sich jedoch geringfügig ändern, da Pi-Mesonen Bosonen sind. Diese Quanteneigenschaft bedeutet, dass die Pi-Mesonen "näher" zueinander sind. Aufgrund dieser Eigenschaft stellt sich heraus, dass zwei (oder mehr) Pi-Mesonen gleicher Ladung etwa in der gleichen Richtung und mit etwa den gleichen Impulsen häufiger herausfliegen als bei ihrer völlig unabhängigen Geburt (siehe Abb. 1).Wir betonen, dass dieser Effekt nur für identische Teilchen funktioniert; Es wird keine Amplifikation für Pi-Mesonen mit unterschiedlichen Ladungen oder für verschiedene Teilchen mit der gleichen Ladung beobachtet. Dieser Effekt ist eine direkte Bestätigung der Tatsache, dass Pi-Mesonen Bosonen sind.

Übrigens funktionieren auch Laser aufgrund dieses Effekts, obwohl sie im Resonator mehrfach verstärkt werden. Photonen sind auch Bosonen, und wenn ein Atom der Materie "bereit" ist, sein Photon zu emittieren, wird es höchstwahrscheinlich in einer Richtung tun, in der viele Photonen bereits fliegen.

Der oben beschriebene Effekt wurde erstmals vor mehr als 50 Jahren registriert und seitdem an verschiedenen Collidern wiederholt getestet. Interessant ist auch seine Registrierung am LHC. Die Größe solcher Quantenkorrelationen sollte mit der Kollisionsenergie und mit der Anzahl der produzierten Teilchen variieren, so dass ihre Messung nützlich sein wird, um theoretische Modelle der Multipartikelproduktion zu verfeinern.

Neulich erschien im Archiv der elektronischen Vorabdrucke ein Artikel der CMS-Kollaboration, der über die erste Messung dieser Korrelationen am Large Hadron Collider berichtet. Statistik für diese Analyse wurde im Dezember 2009 gesammelt – 270 Tausend Ereignisse wurden in der Analyse mit Energie von 0,9 TeV und 13 Tausend verwendet.Ereignisse bei einer Energie von 2,36 TeV, die vorgewählt wurden.

Es ist zu beachten, dass wie bei jeder anderen Messung in der Teilchenphysik bei der Analyse dieser Daten Vorsicht geboten war. Jedes Instrument, einschließlich eines Detektors, führt seine eigenen Verzerrungen ein und hat seine eigenen Fehler. Dank der frühen Arbeitssitzungen der Physik aller Kollaborationen sind die instrumentellen Eigenschaften ihrer Detektoren bereits gut verstanden.

Außerdem mussten in dieser Dimension zwei physikalische Effekte eindeutig entfernt werden, die die korrekte Interpretation der Daten verzerren könnten. Der erste Effekt ist die elektrische Abstoßung gleicher Ladungen, die von zwei identischen Pi-Mesonen erfahren werden, die in etwa derselben Richtung abgehen. Dieser Effekt führt zu einer scheinbaren Unschärfe der Verteilung über relative Momente, die nicht mit den Bose-Einstein-Korrelationen zusammenhängen. Glücklicherweise ist dieser Effekt einfach zu berechnen und kann von den Daten "subtrahiert" werden.

Der zweite Effekt betrifft die Emission von Pi-Mesonen mit entgegengesetzten Ladungen (dieser Prozess dient als "Standard" der unkorrelierten Geburt).Solche Paare können nicht nur unabhängig voneinander entstehen, sondern auch als Folge des Zerfalls eines anderen Teilchens, beispielsweise des Ro-Mesons. In diesem Fall fliegen die Pi-Mesonen eines anderen Vorzeichens automatisch nahe beieinander, obwohl zwischen ihnen keine Bose-Einstein-Korrelation besteht. Ein solcher Mechanismus funktioniert jedoch nur in einem engen "Fenster" relativer Impulse zwischen den Partikeln, und um diesen unerwünschten Effekt zu eliminieren, genügt es daher, keine "gefährlichen" Impulsregionen in die Analyse einzubeziehen.

Abb. 2 Die Verstärkung der Frequenz der Emission von Paaren von Pi-Mesonen im Vergleich zum unkorrelierten Fall hängt von dem Wert von Q ab, der den relativen Impuls des Paares charakterisiert. Abb. aus dem diskutierten Artikel der CMS-Kollaboration

Nach Berücksichtigung all dieser Effekte und Fehler stellte sich heraus, dass bei einem relativen Impuls des Pi-Meson-Paares von weniger als 100 MeV die Emissionsfrequenz von Pi-Mesonen gleicher Ladung um etwa 50-70% im Vergleich zur unkorrelierten Emission ansteigt (siehe Abb. 2). Die Parameter dieser Verstärkung wurden für verschiedene Energien und für unterschiedliche Anzahlen von produzierten Teilchen gemessen. Diese Ergebnisse (zusammen mit den zukünftigen Ergebnissen bei einer Gesamtenergie von 7 TeV) werden den Theoretikern neue Informationen darüber geben, wie die Massenproduktion von Teilchen im Prozess der Hadronisierung bei zuvor nicht verfügbaren Energien stattfindet.

Quellen:
1) CMS Zusammenarbeit.Messung von Bose-Einstein-Korrekturen mit ersten CMS-Daten // Preprint arXiv: 1005.3294 [hep-ex].
2) A. Gideon. Bose-Einstein und Fermi-Dirac-Interferometrie in der Teilchenphysik // Rep. Prog. Phys. 66, 481 (2003) – Übersichtsartikel über die Korrelation identischer Teilchen in Beschleunigerexperimenten. Der vollständige Text ist im e-prints-Archiv frei verfügbar.

Igor Iwanow


Like this post? Please share to your friends:
Schreibe einen Kommentar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: