Изучение сильного взаимодействия в непертурбативной области на физическом факультете и в НИИЯФ

Сотрудники НИИЯФ им. Д.В. Скобельцына и кафедры общей ядерной физики физического факультета активно участвуют в коллаборации CLAS, а именно обрабатывают, хранят и интерпретируют экспериментальные данные, полученные в Jefferson Lab Experimental Hall B. Подробнее о работе в коллаборации и сложностях изучения сильного взаимодействия поговорили с официальным представителем университета в коллаборации CLAS Евгением Леонидовичем Исуповым.

Почему изучать сильное взаимодействие так сложно?

Сильное взаимодействие в непертурбативной области — сам по себе сложный объект для изучения, так как метод разложения по константе связи в этой области не работает. Яркий пример – рождение возбужденных состояний нуклона. В принципе, существуют теоретические подходы к описанию сильного взаимодействия именно в этой области, но для их валидации необходимо проверить, как они описывают экспериментальные данные.

Что такое коллаборация CLAS?

Коллаборация занимается получением и обработкой данных с детекторов CLAS и CLAS12, которые проводятся в Jefferson Lab Experimental Hall B. В коллаборации участвуют ученые из более чем 40 стран.

Лаборатория Джефферсона начала строиться в середине 80-х годов, а эксперименты начались в конце 90-х. МГУ начал участвовать в программе исследования возбужденных состояний протона в начале 2000-х, то есть сотрудничество идет уже около 20 лет. Сотрудники активно участвуют и в обработке экспериментальных данных, и в сборе первичных данных при проведении эксперимента — можно удаленно подключиться и присутствовать при наборе данных, наблюдать за этим процессом и контролировать его.

Сама лаборатория была построена для изучения свойств сильного взаимодействия. Возбужденные состояния нуклона представляют большой интерес для современной ядерной физики — например, из кварковых моделей было предсказано больше таких состояний, чем наблюдалось. Соответственно, была задача поискать их в экспериментах, когда налетающей частицей является электрон, который взаимодействует с мишенью с помощью электромагнитного взаимодействия. С тех пор было получено много информации, найдены новые состояния, уточнены параметры резонансов, которые были включены в публикуемые каждые 2 года справочные данные по физике элементарных частиц.

Как проходит сам эксперимент?

В эксперименте высокоэнергетический пучок электронов рассеивается на протонах, в результате получается набор данных, из которого извлекаются физические наблюдаемые: дифференциальные сечения рассеяния, поляризационные наблюдаемые, асимметрии. Следующий этап — из данных по наблюдаемым можно получить электромагнитные амплитуды возбуждения резонансов с помощью моделей реакций, в нашей группе разработаны методы, которые позволяют это сделать в случае реакции рождения пары заряженных пи-мезонов. Далее эти амплитуды анализируют с точки зрения подходов, основанных на фундаментальной теории сильного взаимодействия — квантовой хромодинамике.

В чем заключается интерес к данным у вашей группы?

Наша группа состоит из студентов, аспирантов и сотрудников кафедры общей ядерной физики и отдела электромагнитных процессов и взаимодействия атомных ядер НИИЯФ. Как я уже говорил, в коллаборации участвуют ученые из более чем 40 стран, которые изучают данные, каждая группа имеет свой интерес, много чего можно исследовать. Например, рассеяние электронов на атомных ядрах, где можно изучать короткодействующие нуклонные корреляции. Наша часть — изучение реакций, где возбуждаются резонансные состояния нуклона.

Недавно у ученых из нашей коллаборации вышла обзорная статья, посвященная тому, как мы можем описать свойства сильновзаимодействующих частиц и механизмы генерации массы этих частиц. Кроме того, нас интересует как, используя теоретические подходы, мы можем проинтерпретировать экспериментальные данные с известными частицами и возбужденными состояниями. Возбужденных состояний нуклона довольно много, но на данный момент детально проанализирована только малая часть.

Используя важные характеристики частиц — упругие электромагнитные форм-факторы протона и пи-мезона, можно проиллюстрировать полученные теоретические результаты, сравнить с имеющимися данными. Также ранее были сделаны вычисления для характеристик резонансов, которые на тот момент еще не были измерены. Когда эти характеристики были извлечены из экспериментальных данных, можно было провести сравнение — и наблюдалось хорошее согласие между теорией и экспериментом.

Куда дальше будут двигаться исследования?

На данный момент в работе закончена так называемая «эра 6 ГэВ», когда максимальная энергия пучка на экспериментальной установке была 6 ГэВ. Последние данные с таким пучком были получены в 2012 году, а после была проделана большая работа чтобы увеличить энергию почти в два раза, до 11 ГэВ. Соответственно, чтобы изучать реакции при такой энергии было необходимо модернизировать и детектор, таким образом появился CLAS12. И вот в 2018 году начались новые эксперименты, и появились новые данные, начался второй этап работы лаборатории.

Данные с первого этапа практически обработаны, на данный момент основной задачей является изучение экспериментальных данных с нового детектора. При большей энергии мы можем изучить область меньших расстояний, проследить эволюцию того, как в зависимости от расстояния происходит возбуждение нуклонных резонансов— это очень важно для продвижения в изучении механизмов сильного взаимодействия в области, где не работает теория возмущений.