CLAS -- это один из детекторов ускорительного центра Jefferson Lab, предназначенный для детектирования многочастичных конечных состояний в реакциях

Зачем нужны электрон-протонные коллайдеры? Читайте популярную заметку про глубоко-неупругое рассеяние

5.8 ГэВных электронов (что не так уж и много по нынешним меркам) с протонами (а точнее, с различными ядрами) мишени. Приведенная выше аналогия почти буквально воспроизводит суть проводимых здесь экспериментов: это именно хирургическое вмешательство в структуру протона.

Рассмотрим, например, реакцию электромагнитного возбуждения нуклонов в дельта-резонансы,

Дело в том, что нуклон и дельта-резонанс очень похожи друг на друга; они состоят из тех же самых кварков, а отличает их только взаимная ориентация спинов этих кварков. Это очень похоже на основной и возбужденный уровни электрона в атоме, отличающиеся лишь полным спином. Поэтому процесс однофотонного перевода нуклона в дельту очень похож на процесс возбуждения атома изучением. А значит, и здесь может возникнуть нечто наподобии "правил отбора", хорошо известных в оптике. Они-то и позволяют "пощупать" протон, почувствовать его форму.

Эксперимент CLAS уже начал выдавать данные по этой реакции [2], и эта информация очень полезна для теории, просто потому что предсказания конкурирующих моделей различаются между собой довольно здорово.

Еще одна интересная возможность заключается в охоте за "резонансами-призраками". Дело в том, что многие теоретические модели не только хорошо описывают уже надежно наблюденные и исследованные частицы, но и предсказывают существование новых резонансов. Причем масса и свойства этих новых частиц меняются от модели к модели. Поиск таких резонансов будет хорошим критерием верности той или иной теории.

Почему эти резонансы я назвал призраками? Дело в том, что в старых, 30-летней давности данных DESY некоторых из этих резонансов не было. А тут вдруг на детекторе CLAS четко видят, например, новый резонанс с массой примерно 1720 МэВ [3]. В принципе, его можно было бы отождествить

Полный список нуклонных резонансов N*, данные PDG, PDF файл, 13 стр.

с известной уже частицей N*_3/2+(1720), но вот беда, свойства этого нового пика совсем непохожи на свойства известного уже N*_3/2+(1720). Настолько непохожи, что возникает подозрение, что это здесь мы имеем не одну, а две частицы с близкими массами и одинаковыми квантовыми числами. Что это за второй резонанс? Может ли его существование удовлетворительно описать какая-нибудь модель? Не имеем ли мы здесь дело с экзотикой? Вопросы остаются пока без ответов.

Физиология протона

Интересно и полезно выяснить не только статические свойства протона, но и его внутренную жизнь, его динамику. Ведь уже давно проверено, что протон -- это не просто три кварка, которые как-то держатся вместе, а скорее это некий бульон всевозможных легких частиц и античастиц: кварк-антикварковых пар, глюонов, пионов и т.д. Ведь, как выясняется, и масса протона происходит, в основном, не из-за массы отдельных кварков, а из-за энергии, запасенной в этом микробульоне. А "валентные" кварки, на которых все это держится, выступают лишь в роли "надсмотрщиков".

Эксперимент CLAS эту внутреннюю жизнь позволяет разглядеть с разных сторон. Например, с помощью изучения реакции виртуального комптон-рассеяния. Обычное комптон-рассеяние -- это процесс столкновения обычного реального фотона с какой-либо частицей (вовсе не обязательно с электроном, в данном случае -- это протон), при котором фотон на время поглощается, а потом переизлучается, причем в другом направлении. При этом важно, чтобы исходный протон не разрушался. Виртуальный комптон-эффект -- это процесс поглощения виртуального фотона и переизлучение обычного, реального фотона. Такие виртуальные фотоны "кружат" в избытке вокруг легких заряженных частиц, например, электронов. Поэтому под виртуальным комптон-рассеянием подразумевают обычно реакцию вида:

Еще один способ понять, как и чем живет протон -- это выяснить, каковы его динамические степени свободы.

Рассуждения про различные динамические степени свободы на примере кристалла читайте в заметке из серии Теорфизика для малышей.

С этой целью интересны исследования процессов рождения векторных мезонов:

При низких энергиях все оказывается гораздо запутаннее. Кроме Померона, возможны обмены мезонами, либо просто кварк-антикварковой парой, смотря с какой стороны мы пытаемся подойти к процессу. Можно ли отделить одно от другого? В принципе, да, но для этого требуется детальное исследование этой реакции, особенно при больших передачах импульса. Эксперимент CLAS находится пока что в процессе выполнения этой многообещающей программы, однако уже выдает очень аккуратные измерения [4].

Очень важными являются также исследования и спиновой структуры нуклона. Наблюдаемые, связанные со спином, еще больше приоткрывают таинственную внутреннюю жизнь протона. Чем интересен спин? При обычной поставновке эксперимента, когда спиновые переменные не наблюдаются, мы получаем картину взаимодействия, усредненную по всем спиновым состояниям. Эта информация, конечно, полезна, но далеко не столь полна и интересна, как знание того, какое именно спиновое состояние предпочитает та или иная частица. Простая, но очень наглядная аналогия: средний доход на душу населения в России -- это одно дело, а знание того, каково распределение людей по доходам -- это уже совершенно другое!

Эксперимент CLAS совсем недавно опубликовал первые данные по спиновой структурной функции g₁ дейтрона [5], существенно улучшив при этом старые данные из SLAC. На подходе -- аналогичные данные для протона, нейтрона и анализ их различия.

В целом, CLAS представляет собой хороший пример современного низкоэнергетического электрон-нуклонного эксперимента. Исследования ведутся одновременно на разных фронтах, параллельно изучаются самые различные физические наблюдаемые. И пожалуй, основным залогом успеха этого эксперимента является сам детектор, покрывающий практически полностью весь телесный угол, и потому позволяющий исследовать не только полные сечения, но и разнообразные угловые распределения. Именно они стоят за всеми перечисленными выше результатами.

Ссылки:
[1] P.Rossi, on behalf of CLAS collaboration, hep-ex/0302032.
[2] K. Joo et al., Phys.Rev.Lett. 88, 122001 (2002)
[3] M.Ripani, hep-ex/0210054.
[4] M. Battaglieri et al., Phys.Rev.Lett. 90, 022002 (2002)
[5] J.Yun, hep-ex/0212044.

Игорь Иванов