Začátkem března 2021 ohlásil experiment TOTEM z cernského urychlovače LHC dohromady s experimentem D0 z bývalého urychlovače Tevatron v laboratoři Fermilab objev Odderonu [1] - zvláštní formy hmoty, která je tvořená stavy složenými z (alespoň) tří gluonů a která byla předpovězena před více než 50 lety.
Experimentální objev na sebe nechal dlouho čekat - jednak proto, že bylo třeba dosáhnout vysokých srážkových energií, a jednak proto, že bylo třeba použít několik různých postupů měření, aby výsledky byly skutečně přesvědčivé. Ty se opírají o pečlivou analýzu srážek protonů s protony nebo anti-protony, kdy se srážející se částice jen lehce odchýlí od svého původního směru. Tyto tzv. elastické srážky tvoří zhruba čtvrtinu všech srážek na urychlovači LHC.
Elastické srážky se při nízkých energiích mohou popsat jako výměna virtuálních mezonů, tedy kvark-antikvarkových párů. Nicméně při energiích několika TeV, které se používali na urychlovačích LHC a Tevatron, se očekává, že srážky jsou zprostředkovány objekty tvořenými čistě gluony, které přenáší silnou interakci. Toto očekávání (nepřímo) vychází z kvantové chromodynamiky (QCD), teorie která popisuje chování silně interagujících částic jako protony nebo anti-protony. Různé formulace této teorie (poruchová, na mřížce, atd.) dospívají podobně k existenci stavů tvořených pouze gluony, tzv. "glueballů". Tyto stavy se mohou interně charakterizovat silnou vzájemnou interakcí gluonů, která je pro QCD typická, zevně se ovšem jeví neutrální z pohledu náboje associovaného se silnou interakcí, tzv. barvou (podobně jako je atom neutrální z pohledu elektrické interakce).
TOTEM
Fenomenologie dopředných protonových srážek dlouho relativně dobře fungovala s jedinou glueballovou výměnou, tzv. Pomeronem, který odpovídá stavům složeným z (minimálně) ze dvou vzájemně interagujících gluonů. Nicméně v roce 2018 přišel experiment TOTEM s výsledkem [2], který do toho jednoduchého obrazu nezapadal, naopak indikoval výměnu dalších glueballů, tzv. Odderonu, který odpovídá stavům tvořeným (minimálně) třemi gluony. Tato informace pochází z měření tzv. parametru rho, formálně poměru reálné ku imaginární části rozptylové amplitudy pro elastické srážky, kdy protony pokračují (téměř) ve stejném směru. Samo o sobě ale toto měření ještě nebylo dostatečné, abychom si existencí Odderonu mohli být jisti.
Další nezávislá indikace jeho existence přišla závěrem roku 2020 [3] z pozorování rozdílů v rozptylu protonů na protonech a protonů na anti-protonech, což je klíčová charakteristika výměny Odderonu. Konkrétně šlo o měření srážek, kde se částice rozptylují do stále malých avšak ne zcela zanedbatelných úhlů. Data o proton-protonových srážkách pocházela z cernského experimentu TOTEM a byla získána při energiích 2.76, 7, 8 a 13 TeV. Výsledky z těchto několika energií umožnily extrapolaci na energii 1.96 TeV, na které proměřil srážky protonů s anti-protony experiment D0 ve Fermilabu. Porovnání výsledků ukázalo rozdíl se signifikancí 3.4 sigma.
Kombinace výsledků z roku 2018 a 2020, z nichž oba jsou do značné míry modelově nezávislé, pak indikuje existenci Odderonu se signifikancí v rozsahu od 5.2 do 5.7 sigma a můžeme tedy mluvit o prvním experimentálním potvrzení jeho existence.
Fyzikální ústav se připojil k experimentu D0 v roce 1998 v době modernizace D0 a urychlovače Tevatron. Mimo jiné jsme přispěli právě k výstavbě, provozu a prvním analýzám elastického rozptylu protonů na antiprotonech z dopředného detektoru protonů, tedy detektoru, který byl použit pro potvrzení existence Odderonu.
Pracovníci Fyzikálního ústavu stáli u zrodu experimentu TOTEM kolem roku 2004 a významně k němu přispěli na mnoha úrovních. Nejdříve zprostředkovali pražskou výrobu vakuově-mechanických částí protonových detektorů, které se staly nedílnou součástí urychlovače LHC. Později se podíleli na vývoji rekonstrukčního softwaru, kalibraci detektorů a vedli některé fyzikální analýzy – mimo jiné diskutované i v tomto článku.
[1] Odderon discovered, 9 March 2021, CERN Courier.
[2] TOTEM Collaboration, First determination of the rho parameter at sqrt(s) = 13 TeV: probing the existence of a colourless C-odd three-gluon compound state, Eur. Phys. J. C 79, (2019) 785.
[3] DØ and TOTEM Collaborations, Comparison of pp and p-anti p differential elastic cross sections and observation of the exchange of a colorless C-odd gluonic compound, 2020, arXiv:2012.03981.