Fig. 1: un atome d'hydrogène. Pas à l'échelle.Vous savez que le Grand collisionneur de hadrons est principalement concerné par la collision de protons entre eux. Mais qu'est-ce qu'un proton?
Tout d'abord - un gâchis terrible et complet. Aussi laid et chaotique qu'un atome d'hydrogène simple et élégant.
Mais alors qu'est-ce qu'un atome d'hydrogène?
Ceci est l'exemple le plus simple de ce que les physiciens appellent un «état lié». «Condition», en substance, signifie une certaine chose qui existe depuis assez longtemps, et «connecté» signifie que ses composants sont connectés les uns aux autres, comme si les époux étaient mariés. En fait, un exemple de couple marié, dans lequel un conjoint est beaucoup plus lourd que l'autre, convient très bien ici. Un proton se trouve au centre, se déplaçant à peine, et un électron se déplace le long des bords de l'objet, se déplace plus vite que vous et moi, mais beaucoup plus lentement que la vitesse de la lumière, la limite de vitesse universelle. Image paisible de l'idylle du mariage.
Ou cela ressemble à ceci jusqu'à ce que nous examinions le proton lui-même. Les intérieurs du proton lui-même rappellent plus une commune où de nombreux adultes et enfants célibataires sont densément situés: le chaos pur. C'est aussi un état lié, mais il ne lie pas quelque chose de simple, comme un proton avec un électron, comme dans l'hydrogène, ou au moins quelques dizaines d'électrons avec un noyau atomique, comme dans des atomes plus complexes comme l'or - mais une myriade de (c'est-à-dire qu'il y en a trop et ils changent trop rapidement pour pouvoir compter pratiquement) des particules légères appelées quarks, antiquarks et gluons. Il est impossible de décrire simplement la structure d'un proton, de dessiner des images simples - il est extrêmement désorganisé. Tous les quarks, gluons, antiquarks se précipitent à l'intérieur à la vitesse la plus élevée possible, presque à la vitesse de la lumière.
Fig. 2: Image d'un proton. Imaginez que tous les quarks (supérieurs, inférieurs, étranges - u, d, s), les antiquarks (u, d, s avec un tiret) et les gluons (g) se déplacent d'avant en arrière à presque la vitesse de la lumière, entrent en collision les uns avec les autres, apparaissent et disparaîtreOn pouvait entendre que le proton se compose de trois quarks. Mais c'est un mensonge - pour le bien, mais toujours assez grand. En fait, il y a d'innombrables gluons, antiquarks et quarks dans un proton. L'abréviation standard «proton se compose de deux quarks supérieurs et d'un quark inférieur» signifie simplement que le proton a deux quarks supérieurs de plus que les antiquarks supérieurs et un quark inférieur de plus que les antiquarks inférieurs. Pour que cette réduction soit vraie, il faut y ajouter «et d'innombrables quantités de gluons et de paires quark-antiquark». Sans cette phrase, l'idée d'un proton sera tellement simplifiée qu'il sera complètement impossible de comprendre le travail du LHC.
Fig. 3: Un petit mensonge au profit de l'image stéréotypée de WikipédiaEn général, les atomes comparés aux protons sont comme un pas de deux dans un ballet exquis comparé à une discothèque remplie d'adolescents ivres sautant et agitant un DJ.
C'est pourquoi, si vous êtes un théoricien essayant de comprendre qu'il verra le LHC en collision avec des protons, cela vous sera difficile. Il est très difficile de prévoir les résultats de collisions d'objets qui ne peuvent être décrits de manière simple. Mais heureusement, depuis les années 1970, sur la base des idées de
Bjorken des années 60, les physiciens théoriciens ont trouvé une technologie relativement simple et fonctionnelle. Mais cela fonctionne toujours jusqu'à certaines limites, avec une précision d'environ 10%. Pour cette raison et d'autres, la fiabilité de nos calculs pour le LHC est toujours limitée.
Un autre détail sur le proton - il est minuscule. Vraiment minuscule. Si l'atome d'hydrogène est gonflé à la taille de votre chambre, le proton aura la taille d'une si petite particule de poussière qu'il sera très difficile de remarquer. Précisément parce que le proton est si petit, nous pouvons ignorer le chaos créé à l'intérieur, décrivant l'atome d'hydrogène comme simple. Plus précisément, la taille d'un proton est 100 000 fois plus petite que la taille d'un atome d'hydrogène.
A titre de comparaison, la taille du Soleil n'est que 3000 fois plus petite que la taille du système solaire (si vous comptez sur l'orbite de Neptune). Exactement ainsi - dans un atome, il est plus vide que dans le système solaire! Rappelez-vous cela lorsque vous regardez le ciel la nuit.
Mais vous pouvez demander: «Attendez une seconde! Affirmez-vous que le Grand collisionneur de hadrons entre en collision avec des protons 100 000 fois plus petits qu'un atome? Comment est-ce encore possible? "
Grande question.
Collisions de protons contre les mini-collisions de quarks, gluons et antiquarks
Les collisions de protons sur le LHC se produisent avec une certaine énergie. Il s'agissait de 7 TeV = 7000 GeV en 2011 et de 8 TeV = 8000 GeV en 2012. Mais les spécialistes de la physique des particules s'intéressent principalement aux collisions d'un quark d'un proton avec un antiquark d'un autre proton, ou aux collisions de deux gluons, etc. - ce qui peut conduire à l'apparition d'un phénomène physique vraiment nouveau. Ces mini-collisions transportent une petite fraction de l'énergie totale de collision de protons. Quelle quantité d'énergie peut-elle transporter et pourquoi avez-vous dû augmenter l'énergie de collision de 7 TeV à 8 TeV?
La réponse est dans la fig. 4. Le graphique montre le nombre de collisions enregistrées dans le détecteur ATLAS. Les données de l'été 2011 concernent la dispersion des quarks, antiquarks et gluons d'autres quarks, antiquarks et gluons. De telles mini-collisions produisent le plus souvent deux jets (jets de hadrons, manifestations de quarks à haute énergie, de gluons ou d'antiquarks coupés des protons parentaux). Les énergies et les directions des jets sont mesurées, et la quantité d'énergie qui aurait dû être impliquée dans la mini-collision est déterminée à partir de ces données. Le graphique montre le nombre de mini-collisions de ce type en fonction de l'énergie. L'axe vertical est logarithmique - chaque tiret indique une augmentation de 10 fois (10
n signifie 1 et n zéros après). Par exemple, le nombre de mini-collisions observées dans l'intervalle d'énergie de 1550 à 1650 GeV était égal à environ 10
3 = 1000 (marqué par des lignes bleues). Gardez à l'esprit que le graphique commence avec une énergie de 750 GeV, mais le nombre de mini-collisions continue d'augmenter si vous étudiez les jets avec des énergies plus faibles, jusqu'au moment où les jets deviennent trop faibles pour les détecter.
Fig. 4: nombre de collisions en fonction de l'énergie (m jj )Gardez à l'esprit que le nombre total de collisions proton-proton avec une énergie de 7 TeV = 7000 GeV est proche de 100 000 000 000 000. Et parmi toutes ces collisions, seules deux mini-collisions ont dépassé 3 500 GeV - la moitié de l'énergie de collision de protons. Théoriquement, l'énergie d'une mini-collision peut augmenter à 7000 GeV, mais la probabilité de cela diminue tout le temps. Nous voyons rarement des mini-collisions avec une énergie de 6000 GeV que nous ne verrons probablement pas une énergie de 7000 GeV, même si nous collectons 100 fois plus de données.
Quels sont les avantages d'augmenter l'énergie de collision de 7 TeV en 2010-2011 à 8 TeV en 2012? Évidemment, maintenant ce que vous pourriez faire au niveau d'énergie E, maintenant vous pouvez le faire au niveau d'énergie de 8/7 E ≈ 1,14 E. Donc, si auparavant, vous pouviez espérer voir des signes d'un certain type de particule hypothétique avec masse de 1000 GeV / s
2 , nous pouvons maintenant espérer atteindre au moins 1100 GeV / s
2 avec le même ensemble de données. Les capacités de la machine augmentent - vous pouvez rechercher des particules d'une masse légèrement plus grande. Et si en 2012 vous collectez trois fois plus de données qu'en 2011, vous recevrez un plus grand nombre de collisions pour chaque niveau d'énergie, et vous pourrez voir les signes d'une particule hypothétique avec une masse de, disons, 1200 GeV / s
2 .
Mais ce n'est pas tout. Regardez les lignes bleues et vertes de la fig. 4: ils montrent qu'ils se produisent à des énergies de l'ordre de 1400 et 1600 GeV - de telle sorte qu'ils se rapportent entre eux à 7 à 8. Au niveau de l'énergie de collision de protons de 7 TeV, le nombre de mini-collisions de quarks avec quarks, quarks avec gluons, etc. n. avec une énergie de 1400 GeV plus du double du nombre de collisions avec une énergie de 1600 GeV. Mais lorsque la machine augmente l'énergie de 8/7, ce qui a été fait pour 1400 commence à l'être pour 1600. En d'autres termes, si vous êtes intéressé par les mini-collisions d'énergie fixe, leur nombre augmente - et bien plus de 14% de l'augmentation de l'énergie de collision de protons! Cela signifie que pour tout processus avec une énergie préférée, par exemple, l'apparition de particules de Higgs légères qui se produit à des énergies de l'ordre de 100-200 GeV, vous obtenez plus de résultats pour le même prix. Une augmentation de 7 à 8 TeV signifie que pour le même nombre de collisions de protons, vous obtenez plus de particules de Higgs. La production de particules de Higgs augmentera d'environ 1,5. Le nombre de quarks supérieurs et de certains types de particules hypothétiques augmentera légèrement plus.
Cela signifie que bien qu'en 2012 le nombre de collisions de protons ait augmenté de 3 fois par rapport à 2011, le nombre total de particules de Higgs obtenues augmentera de près de 4 fois simplement en raison d'une augmentation d'énergie.
Au fait, pic. 4 prouve également que les protons ne sont pas simplement constitués de deux quarks supérieurs et d'un quark inférieur, comme le montrent les Fig. 3. S'ils étaient comme ça, alors les quarks devraient transférer environ un tiers de l'énergie des protons, et la plupart des mini-collisions passeraient avec des énergies d'environ un tiers de l'énergie de collision des protons: dans la région de 2300 GeV. Mais le graphique montre que dans la région de 2300 GeV, rien de spécial ne se produit. Avec des énergies inférieures à 2300 GeV, il y a beaucoup plus de collisions et plus vous descendez, plus vous voyez de collisions. En effet, le proton contient un grand nombre de gluons, quarks et antiquarks, chacun d'entre eux transférant une petite partie de l'énergie du proton, mais il y en a tellement qu'ils participent à un grand nombre de mini-collisions. Cette propriété du proton est illustrée à la Fig. 2 - bien qu'en fait le nombre de gluons de basse énergie et de paires quark-antiquark soit beaucoup plus grand que celui montré sur la figure.
Mais ce que le graphique ne montre pas, ce sont les fractions qui, dans les mini-collisions avec une certaine énergie, se produisent dans les collisions de quarks avec quarks, quarks avec gluons, gluons avec gluons, quarks avec antiquarks, etc. En fait, cela ne peut pas être dit directement des expériences sur le LHC - les jets des quarks, des antiquarks et des gluons se ressemblent. Comment savons-nous ces parts - c'est une histoire compliquée, elle comprend de nombreuses expériences passées différentes et une théorie les combinant. Et d'après cela, nous savons que les mini-collisions des plus hautes énergies se produisent généralement dans les quarks à quarks et dans les quarks à gluons. Les collisions à basse énergie se produisent généralement entre les gluons. Les collisions de quarks et d'antiquarks sont relativement rares, mais elles sont très importantes pour certains processus physiques.
Répartition des particules à l'intérieur du proton
Fig. 5Deux graphiques différant par l'échelle de l'axe vertical montrent la probabilité relative de collision avec un gluon, un quark supérieur ou inférieur ou un antiquark qui transfère une fraction de l'énergie du proton égale à x. Au petit x, les gluons dominent (tandis que les quarks et les antiquarks deviennent également probables et nombreux, bien qu'ils soient encore plus petits que les gluons), et au x moyen, les quarks dominent (bien qu'il y en ait très peu).
Les deux graphiques montrent la même chose, juste avec une échelle différente, donc ce qui est difficile à voir sur l'un d'eux est plus facile à voir sur l'autre. Et ils le montrent: si un faisceau de protons vole vers vous dans le Grand collisionneur de hadrons et que vous frappez quelque chose à l'intérieur du proton, quelle est la probabilité que vous frappiez le quark supérieur, ou le quark inférieur, ou le gluon, ou l'antiquark supérieur, ou inférieur un antiquark qui transfère une fraction d'énergie protonique égale à x? De ces graphiques, on peut déduire que:
• Le fait que toutes les courbes croissent très rapidement à petit x (vu dans le graphique du bas), il s'ensuit que la plupart des particules dans le proton transfèrent moins de 10% (x <0,1) de l'énergie du proton, et la probabilité de collision avec une particule qui porte peu l'énergie, beaucoup plus susceptible d'entrer en collision avec une particule transportant beaucoup. Dans le même temps, 10% n'est pas si petit. En 2012, les rayons du LHC ont atteint des énergies de 4 TeV, donc 10% signifient 400 GeV. De plus, pour créer une particule de 124 GeV Higgs à partir de deux gluons, seulement 62 GeV par gluon est requis.
• Du fait que la courbe jaune (ci-dessous) est beaucoup plus élevée que les autres, il s'ensuit que si vous êtes confronté à quelque chose qui transfère moins de 10% de l'énergie du proton, alors c'est très probablement du gluon; et chutant en dessous de 2% de l'énergie protonique, il est tout aussi probable qu'il s'agisse de quarks ou d'antiquarks.
• Du fait que la courbe du gluon (ci-dessus) tombe en dessous des courbes des quarks avec l'augmentation de x, il s'ensuit que si vous rencontrez quelque chose qui transfère plus de 20% (x> 0,2) de l'énergie du proton - ce qui arrive très, très rarement - il s'agit très probablement d'un quark, et la probabilité qu'il s'agisse du quark supérieur est deux fois plus probable qu'il s'agisse du quark inférieur. Ce sont les vestiges de l'idée selon laquelle «un proton est deux quarks supérieurs et un quark inférieur».
• Toutes les courbes avec une augmentation de x chutent fortement; il est très peu probable que vous rencontriez quelque chose transportant plus de 50% de l'énergie du proton.
Ces observations se reflètent indirectement dans le graphique de la Fig. 4. Voici quelques éléments non évidents concernant les deux graphiques:
• La majeure partie de l'énergie des protons est divisée (à peu près également) entre un petit nombre de quarks à haute énergie et un grand nombre de gluons à basse énergie.
• Les gluons de basse énergie prédominent parmi les particules, suivis des quarks et antiquarks de très basse énergie.
Le nombre de quarks et d'antiquarks est énorme, mais: le nombre total de quarks supérieurs moins le nombre total d'antiquarks supérieurs est de deux, et le nombre total de quarks inférieurs moins le nombre total d'antiquarks inférieurs est de un. Comme nous l'avons vu ci-dessus, les quarks supplémentaires transportent une partie tangible (mais pas la principale) de l'énergie d'un proton volant vers vous. Et c'est seulement dans ce sens que nous pouvons dire que le proton est principalement constitué de deux quarks supérieurs et d'un quark inférieur.
Soit dit en passant, toutes ces informations ont été obtenues à partir d'une combinaison passionnante d'expériences (principalement sur la diffusion d'électrons ou de neutrinos à partir de protons ou de noyaux atomiques d'hydrogène lourd - deutérium contenant un proton et un neutron), collectées ensemble à l'aide d'équations détaillées décrivant l'électromagnétique, le nucléaire fort et de faibles interactions nucléaires. Cette longue histoire s'étend de la fin des années 1960 au début des années 1970. Et cela fonctionne très bien pour prédire les phénomènes observés chez les collisionneurs, où les protons entrent en collision avec les protons et les protons entrent en collision avec les antiprotons - tels que Tevatron et LHC.
Autres preuves de la structure complexe du proton
Examinons certaines des données obtenues au LHC et comment elles confirment les déclarations sur la structure du proton (bien que la compréhension actuelle du proton soit apparue il y a 3-4 décennies, grâce à de nombreuses expériences).
Le graphique de la fig. 4 est obtenue à partir d'observations de collisions au cours desquelles quelque chose comme celui illustré à la Fig. 6: un quark ou un antiquark ou un gluon d'un proton entre en collision avec un quark ou un antiquark ou un gluon d'un autre proton, s'en disperse (ou quelque chose de plus compliqué se produit - par exemple, deux gluons entrent en collision et se transforment en un quark et un antiquark), résultant en deux particules (quarks, antiquarks ou gluons) s'éloignent du point de collision. Ces deux particules se transforment en jets (jets hadrons). L'énergie et la direction des jets sont observées dans des détecteurs de particules entourant le point de collision. Ces informations sont utilisées pour comprendre la quantité d'énergie contenue dans la collision de deux quarks / gluons / antiquarks initiaux. Plus précisément, la masse invariante de deux jets multipliée par c
2 donne l'énergie de collision des deux quarks / gluons / antiquarks initiaux.
Fig. 6Le nombre de collisions de ce type en fonction de l'énergie est donné sur la Fig. 4. Le fait qu'à basse énergie le nombre de collisions soit beaucoup plus important confirme le fait que la plupart des particules à l'intérieur du proton ne transfèrent qu'une petite fraction de son énergie. Les données commencent avec des énergies de 750 GeV.
Fig. 7: données pour les énergies inférieures prises à partir d'un ensemble de données plus petit. Masse Dijet - identique à m jj sur la fig. 4.Les données de la Fig. 7 sont tirés de l'expérience CMS de 2010 sur laquelle ils ont tracé des collisions de chair à des énergies de 220 GeV. Ici, le graphique n'est pas construit à partir du nombre de collisions, mais un peu plus compliqué: le nombre de collisions par GeV, c'est-à-dire le nombre de collisions est divisé par la largeur de la colonne de l'histogramme. On peut voir que le même effet continue de fonctionner sur toute la plage de données. Les collisions du type montré à la fig. 6, beaucoup plus faible se produit à basse énergie qu'à haute. Et ce nombre continue de croître jusqu'à ce qu'il ne soit plus possible de distinguer les jets. Un proton contient beaucoup de particules de faible énergie, et peu d'entre elles transportent une fraction tangible de son énergie.
Qu'en est-il de la présence d'antiquarks dans un proton? Trois des processus les plus intéressants, pas similaires à la collision illustrée à la fig. 6, qui se produisent parfois au LHC (dans l'une des plusieurs millions de collisions proton-proton) comprennent le processus:
quark + antiquark -> W
+ , W
- ou particules Z.
Ils sont représentés sur la fig. 8.
Fig. 8Les données correspondantes avec CMS sont données dans la fig. 9 et 10. Fig. 9 montre que le nombre de collisions qui aboutissent à un électron ou un positron (à gauche) et quelque chose d'indétectable (probablement un neutrino ou un antineutrino), ou un muon et un antimuon (à droite), est correctement prévu. La prédiction est faite en combinant le modèle standard (équations prédisant le comportement des particules élémentaires connues) et la structure du proton.
De grands pics de données surviennent en raison de l'apparition des particules W et Z. La théorie correspond parfaitement aux données.Fig. 9: points noirs - données, jaune - prédictions. Le nombre d'événements est indiqué en milliers. À gauche: le pic central apparaît en raison des neutrinos dans les particules W. À droite, le lepton et l'antilepton apparaissant dans la collision sont combinés, et la masse de la particule dont ils sont issus est impliquée. Le pic apparaît en raison des particules Z résultantes.Plus de détails peuvent être vus sur la fig. 10, où il est montré que la théorie, en termes de nombre non seulement indiqué mais aussi de nombreuses mesures connexes - dont la plupart sont associées à des collisions de quarks avec des antiquarks - coïncide parfaitement avec les données. Les données (points rouges) et la théorie (segments bleus) ne coïncident jamais exactement à cause des fluctuations statistiques, pour la même raison que vous jetez une pièce dix fois et vous n'obtiendrez pas cinq "aigles" et cinq "queues". Par conséquent, les points de données sont placés dans la «bande d'erreur», une bande rouge verticale. La taille de la bande est telle que pour 30% des mesures, la bande d'erreur devrait être à la limite de la théorie et pour seulement 5% des mesures, elle devrait être séparée de la théorie par deux bandes. On peut voir que toutes les preuves confirment que le proton contient de nombreux antiquarks. Et nous comprenons correctement le nombre d'antiquarks,transportant une certaine fraction de l'énergie du proton.