Difrakční rozptyl protonů při vysokých energiích - experiment TOTEM na LHC v CERN, Ženeva

Řešen v CERN, Ženeva (v rámci mezinárodní spolupráce deseti institucí) s finanční podporou MŠMT ČR.
K difrakčnímu rozptylu protonů na protonech dochází při malých hodnotách kvadrátu přenosu hybnosti t, tj. kdy je většina částic rozptýlena pod velmi malými úhly v dopředném směru. Na rozdíl od hluboce nepružných kolizí jsou dynamické charakteristiky difrakčního rozptylu slabě závislé na celkové energii srážky. Z hlediska teoretického popisu představují difrakční procesy nejsložitější problém, protože obvyklé poruchové metody zde nelze použít.

To platí zejména pro pružný rozptyl, kdy elastickou hadronovou amplitudu je nutno formulovat fenomenologicky. Přitom je nutné popsat také vliv coulombického rozptylu. Dosavadní interferenční metoda, kterou navrhli West a Yennie, je použitelná pouze pro konstantní fázi hadronové amplitudy; obecná eikonálová metoda navržená v [1,2] umožňuje naopak konzistentní popis celkového elastického rozptylu s hadronovou fází závislou na t . Metoda nejen nahrazuje dřívější postup. Umožňuje rovněž stanovit přímo z dat pružného rozptylu střední kvadratické hodnoty srážkového parametru, které charakterizují dosah hadronových interakcí zodpovědných za totální, elastický i celkový inelastický rozptyl [3]. Tyto střední hodnoty pak otevírají diskuzi, zda elastický hadronový rozptyl lze interpretovat jako centrální, nebo periferní.

V současné době probíhají práce na projektu ve dvou směrech. Jednak se jedná o přímou účast na řešení a zpracování výsledků z experimentu TOTEM a jednak o řešení některých problémů z teorie fyziky elementárních částic, které mají vztah ke vzájemné interakci hadronů.

Experiment TOTEM (http://totem.web.cern.ch/Totem/) na srážeči LHC v CERN má za úkol studovat difrakční rozptyl protonů na protonech při energiích až 14 TeV [4]. V kolizích tohoto typu se rozptýlené částice nacházejí uvnitř trubic urychlovače a k jejich detekci je zapotřebí specielních křemíkových detektorů, umístěných v tzv. „římských hrncích“, které tvoří části vakuového systému srážeče LHC a nacházejí se symetricky po obou stranách ve vzdálenostech 147 m a 220 m od interakčního bodu a které je nutno při detekci co nejvíce přiblížit k ose svazku. Vakuové části římských hrnců byly vyrobeny firmou Vakuum Praha. Zbylé sekundární částice jsou detekovány teleskopy T1 a T2 symetricky umístěnými okolo interakčního bodu uvnitř aparatury experimentu CMS a také vlastními detektory experimentu CMS. Teleskopy T1 jsou konstruovány jako katodové stripové komory a teleskopy T2 jako plynové elektronové násobiče GEM.

V první etapě bude experiment TOTEM studovat pružný rozptyl protonů především v oblasti velmi malých přenosů hybnosti, což bude použito ke stanovení totálního účinného průřezu a luminosity LHC [5]. Pak také v oblasti větších |t|, aby mohla být specifikována co nejpřesněji elastická hadronová amplituda, střední kvadratické hodnoty srážkového parametru a také profilové funkce přímo z naměřených dat. Později bude experiment TOTEM zkoumat individuálně některé difrakčně produkční kanály a společně s experimentem CMS pak zbylé difrakčně produkční procesy.

V rámci teoretické části se v současnosti řeší dvě témata:

a)  Dále rozvíjíme pravděpodobnostní model elastického rozptylu, založený na dvou jednoduchých předpokladech:

1. o protonu se předpokládá, že existuje v různých vnitřních stavech, které vykazují různé vnější rozměry a výsledek elastické kolize pak sestává ze superpozice kanálů odpovídajících různým kombinacím takových stavů;
2. každý elastický kanál (j) pak je při každém srážkovém parametru b charakterizován pravděpodobností
   P_j^el(b) = P_j^tot(b).P_j^rat(b), kde poslední dva faktory charakterizující totální pravděpodobnost srážky a poměr elastické a totální pravděpodobnosti mohou být vzaty jako monotonní funkce v intervalu (0, b_j^max), kde b_j^max odpovídá nejvyššímu srážkovému parametru při nenulové hodnotě P_j^tot(b) .

Předběžná aplikace na experimentální data ukázala, že jednotlivé parametry b_j^max a pravděpodobnosti P_j^tot(b) a P_j^rat(b) lze odvodit ze standardních elastických dat [6,7].

b)  Podrobněji je formulován problém týkající se základu kvantové teorie a sporu mezi Einsteinem a Bohrem. Při řešení tohoto sporu se uplatnila významně dvě tvrzení, jež považujeme za neoprávněná: předpoklad nutný pro odvození Bellových nerovností neodpovídá (na rozdíl od obecného mínění) teorii se skrytými parametry, ale platí pouze v rámci klasické fyziky; a také obě kvantové alternativy (kodaňská a se skrytými parametry) mohou vést na rozdíl od tvrzení Belinfanteho v případě experimentu EPR ke stejným předpovědím [8]-[11]. Budou diskutovány a analyzovány závěry, vyplývající z našeho řešení daného sporu za nových podmínek.

Významné publikace:

[1] V. Kundrát, M. Lokajíček: Z. Phys. C63 (1994) 619
[2] V. Kundrát, M. Lokajíček, D. Krupa: Phys. Lett. B544 (2002) 132
[3] V. Kundrát, M. Lokajíček, I. Vrkoč: Phys. Lett. B656 (2007) 182
[4] G. Anelli,..., J. Kašpar, V. Kundrát, M. Lokajíček, et al.: „The TOTEM experiment at the CERN Large Hadron Collider“, 2008 JINST 3 S08007
[5] J. Kašpar, V. Kundrát, M. Lokajíček: Contemporary models of elastic nucleon scattering and their predictions for LHC; arXiv:0912.0112 [hep-ph]
[6] V. Kundrát, M. Lokajíček: Optical theorem and Elastic Nucleon Scattering; Proceedings of the 13th International Conference on Elastic & Diffractive Scattering, CERN, 29th June – 3rd July, 2009
[7] V. Kundrát, M. Lokajíček: Elastic pp scattering and the internal structure of colliding proton; arXiv:0909.3199 [hep-ph]
[8] M.V. Lokajíček: Quantum theory without logical paradoxes; Concepts of Physics VI (2009), No. 4, 581-604; see also /arxiv:09050140[quant-ph]
[9] M.V. Lokajíček: Hidden-variable theory versus Copenhagen quantum mechanics; Frontiers of Fundamental and Computational Physics - Proc. of the Ninth International Symposium, January 2008, Udine and Trieste, edited by Sidharth B.G. et al., Conference Proceedings, No. 1018, American Institute of Physics, 2008, pp. 40-45.
[10] M.V. Lokajíček: Physical theory of the twentieth century and contemporary philosophy; Concepts of Physics 4 (2007), No.2, 317-339; see also /arxiv/quant-ph/0611069
[11] M.V. Lokajíček: Schrödinger equation, classical physics and Copenhagen quantum mechanics; New Advances in Physics 1 (2007), No. 1, 69-77; see also /arxiv/quant- ph/0611176

Řešitelé:
Jan Kašpar, Vojtěch Kundrát, Miloš Lokajíček Sn., Jiří Procházka