基本粒子之间相互作用的量子性质使得即使从像弹性散射这样简单的过程中也能得出重要的结论。大型强子对撞机加速器上的ATLAS实验报告了对超高能量质子之间强相互作用的基本特性的测量。
台球碰撞的物理学从学校早期就开始教授。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心位置(这通常通过碰撞参数值来量化——垂直于运动的平面上球中心之间的距离)。当碰撞参数较小时，对应于高度中心碰撞，散射角较大。随着冲击参数的增大，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，保持它们的身份，并向它们的原始运动方向散射一定角度。在这里，我们也得到了碰撞参数和散射角之间的关系。通过测量散射角，我们可以得到碰撞粒子的空间结构和相互作用的性质。
波兰科学院核物理研究所的物理学家，作为ATLAS合作项目的一部分，在LHC加速器上进行了质子-质子碰撞的弹性散射测量，质心能量为13 TeV。
由于这种相互作用的散射角极小(小于千分之一度)，测量需要使用专用的测量系统。它的关键元素是一组探测器，这些探测器放置在距离碰撞点200米的地方，能够测量距离加速器束只有几毫米的散射质子。
这是通过所谓的罗马罐技术实现的，该技术允许将探测器放置在加速器束流管中，并在数据采集过程中接近束流。克拉科夫小组的一项重要贡献是关于触发和数据采集系统的工作，没有这个系统就无法记录数据。
实验装置的第二个重要组成部分是形成大型强子对撞机加速器束流的特殊磁场配置。在典型的测量中，目标是最大化光束聚焦，以增加有趣的相互作用的频率。然而，紧聚焦光束有很大的角散度，使得测量弹性散射实际上是不可能的。特殊的磁铁配置最大限度地减少了这种分歧，并确保精确的测量。
这项测量的直接结果发表在《欧洲物理杂志C》上，是散射角的分布，或者更准确地说，是变量t的分布，它与散射角的平方成正比。关于高能质子间核强相互作用的基本性质的结论，是从这个分布的形状中得出的。提取这些信息的过程是基于弹子游戏中没有观察到的弹性散射效应的量子特性。
这些性质中的第一个是所谓的光学定理，它是量子过程中概率守恒的结果。它将弹性相互作用与非弹性相互作用(即产生额外粒子的相互作用)联系起来。由于所研究的碰撞中的质子具有很高的能量，因此经常发生非弹性过程。光学定理允许仅从弹性相互作用的测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描述某一特定反应发生可能性的一个量。总横截面描述了任何类型的质子-质子碰撞的机会，并与质子的大小有关。ATLAS合作组织公布的结果是在13 TeV能量下对该参数的最精确测量。
除其他因素外，高精度是由于探测器位置的精确确定，这是IFJ PAN小组负责的。所得结果证实了强相互作用的一个重要性质——总横截面随碰撞能量的增加而增大。这种增加可以认为是质子的大小随着能量的增加而增加。
对总横截面的准确了解不仅对研究强相互作用本身，而且对粒子物理学的其他领域都有意义。强相互作用是相关的，例如，在大型强子对撞机的实验中寻找新的物理学，它们作为背景，以及在宇宙射线研究中，它们负责宇宙空气阵雨的发展。由于对总横截面等量的精确测量，这些过程的精确建模成为可能。
在质子-质子碰撞中，弹性散射可以通过两种机制发生:强核相互作用和库仑相互作用，即电荷之间的排斥。研究过程的量子性质的第二个结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。与普通概率不同，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描述，或者用它的实部和虚部来描述。由于库仑相互作用被很好地理解，它们的散射振幅可以计算，通过测量干涉，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验测量值明显低于lhc前理论模型的预测值。这些模型基于对强相互作用性质的某些假设。观察到的差异挑战了这些假设。
第一个假设是，在非常高的能量下，质子-反质子碰撞的性质与质子-质子和反质子-反质子碰撞的性质相同。这是因为，虽然质子是由夸克和胶子组成的，但高能碰撞主要发生在胶子之间。由于质子和反质子的胶子结构是相同的，自然的假设是不同系统中的相互作用是相同的。由于相互作用的量子性质，允许存在差异使得理论模型能够描述实验数据。
理论模型的第二个假设涉及总横截面随能量的增长。据推测，它的能量特征高于目前在大型强子对撞机加速器上测量到的能量特征，与迄今为止观察到的相同。观测到的差异也可以用LHC能量以上的能量增长放缓来解释。
两种假设都涉及高能强相互作用的基本性质。不管哪一种说法是正确的，报道的测量结果让我们对粒子的基本相互作用有了更深入的了解。
目前，上述研究中使用的探测器正在准备中，以便进一步测量更高能量的弹性散射。波兰科学院核物理研究所也正在对强相互作用和电磁相互作用都发挥重要作用的其他过程进行研究。罗马陶罐技术在这些研究中起着至关重要的作用。
本文来自作者[宏星]投稿，不代表kzshn号立场，如若转载，请注明出处：https://www.kzshn.cn/zskp/202507-377.html
评论列表（4条）
我是kzshn号的签约作者“宏星”！
希望本篇文章《量子质子碰撞：ATLAS实验揭示强相互作用的基本特性》能对你有所帮助！
本站[kzshn号]内容主要涵盖：国足,欧洲杯,世界杯,篮球,欧冠,亚冠,英超,足球,综合体育
本文概览：基本粒子之间相互作用的量子性质使得即使从像弹性散射这样简单的过程中也能得出重要的结论。大型强子对撞机加速器上的ATLAS实验报告了对超高能量...