Множественное рождение частиц

Общие положения и область применимости

Множественное рождение частиц — это фундаментальное явление, наблюдаемое в высокоэнергетических столкновениях адронов и лептонов, при котором в результате взаимодействия рождается большое число вторичных частиц. Этот процесс является характерным для высоких энергий (обычно выше нескольких ГеВ в системе центра масс), где кинематически возможно производство множественных адронов и мезонов.

С точки зрения теории, множественное рождение — это следствие нелинейной природы квантовой хромодинамики (КХД) и структуры вакуума сильных взаимодействий. Оно проявляется во многих аспектах, таких как рост средних мультипликативностей, флуктуации числа частиц, особенности угловых распределений, образование струй и каскадная структура процесса.

Кинематика и динамика множественного рождения

При рассмотрении процесса столкновения двух частиц с энергией √s в системе центра масс, основная часть энергии может быть преобразована в массу рождающихся частиц. В предположении центрального столкновения и отсутствия тяжелых конечных состояний, можно ожидать, что средняя энергия на одну частицу будет порядка нескольких сотен МэВ, что соответствует энергии покоя легких мезонов и нуклонов. Таким образом, число рождающихся частиц может достигать десятков или сотен даже при умеренных энергиях.

Для оценки характерных параметров используют:

• Мультипликативность (n) — число рожденных частиц в одном событии.
• Энергетические спектры — распределения частиц по энергии, инвариантной массе, быстроте и т.д.
• Угловые распределения — особенно важны для изучения изотропии или присутствия предпочтительных направлений (например, коллинеарных струй).

Роль КХД и образование струй

Согласно КХД, при высокоэнергетических взаимодействиях кварков и глюонов основным механизмом множественного рождения является каскадное излучение глюонов (и, в меньшей степени, кварк-антикварковых пар), после чего происходит процесс конфайнмента — переход в конечные адроны. Этот процесс называется глюонной струей, или просто струей.

Механизм следующий:

1. Первичное столкновение приводит к выбросу кварков и глюонов с высокой энергией.
2. Эти частицы испускают новые глюоны, которые в свою очередь тоже могут излучать, создавая каскад.
3. На последней стадии каскада происходит хадронизация — переход свободных кварков и глюонов в стабильные адроны.

Этот каскад описывается так называемыми моделями струй, например моделью Лунд, а также пертурбативной КХД на ранних стадиях процесса. На поздних стадиях, при низких энергиях, применимы только феноменологические модели, так как пертурбативные методы теряют применимость.

Мультипликативные распределения

Для описания распределения по числу частиц в одном событии используются вероятностные функции:

• Распределение Пуассона: применимо при низких энергиях.
• Негативное биномиальное распределение (НБР): хорошо описывает экспериментальные данные при энергиях √s > 10 ГэВ, учитывая флуктуации.
• Распределения с корреляциями: отражают когерентные процессы, возникающие в рамках струйной модели.

Средняя мультипликативность ⟨n⟩ с ростом энергии ведёт себя примерно как:

⟨n⟩ ∼ ln (s),  или  ⟨n⟩ ∼ ln²(s)

в зависимости от рассматриваемой модели и энергии.

Центральная область и флаттоп-плато

Особый интерес представляет так называемая центральная область быстрот — область, где распределение частиц почти не зависит от энергии и имеет платообразный вид. При увеличении √s это плато расширяется. В этой области проявляются особенности термодинамического подхода: плотность частиц становится близкой к постоянной, и процесс может быть описан как квазитермодинамическая система с определённой температурой и энтропией.

Феноменология и модели

Существует несколько подходов к описанию множественного рождения:

• Термодинамическая модель (Фейнман, Хаген): процесс рассматривается как статистическое рождение частиц при заданной “температуре” и объёме.
• Модель цветных струн: струны, натянутые между кварками, при разрыве приводят к рождению пар частиц.
• Гидродинамические модели: описывают коллективные эффекты, особенно в условиях высокой плотности и энергии (например, при столкновениях тяжёлых ионов).
• Фрактальные и каскадные модели: учитывают самоподобную структуру каскада глюонного излучения.

Коллективные эффекты и корреляции

Наблюдаемые многочастичные корреляции — это ключ к пониманию динамики рождения частиц. Примеры таких корреляций:

• Долговременные корреляции между частицами, удалёнными по быстроте.
• Фрагментационные струи: частицы, сгруппированные в узком угловом интервале.
• Эффект “гребёнки” (ridge): наблюдается при столкновениях протонов на LHC и проявляется в виде коррелированных частиц на большом интервале по быстроте.

Такие эффекты нельзя объяснить независимым рождением частиц, и они требуют учёта взаимодействий между образующимися струями или коллективных возбуждений среды.

Экспериментальные наблюдения

Множественное рождение частиц детально исследуется в экспериментах на ускорителях, таких как:

• LHC (CERN): CMS, ATLAS, ALICE — регистрируют как протон-протонные, так и тяжёлоионные столкновения при √s до 14 ТэВ.
• RHIC (BNL): изучает столкновения тяжёлых ионов.
• ISR и SPS (CERN): классические эксперименты по мультипликативности.
• Tevatron (Fermilab): данные о струйных событиях и распределениях по η и φ.

Основные экспериментальные результаты:

• Мультипликативность растёт с энергией.
• Центральная область становится шире и гуще.
• Коллективные эффекты ярко выражены в тяжёлоионных столкновениях, но уже видны и в протон-протонных.
• Струйная структура подтверждается данными по кореллированным событиям.

Роль множественного рождения в физике за пределами Стандартной модели

Понимание множественного рождения необходимо не только для описания стандартных адронных взаимодействий, но и при поиске новой физики:

• Фоновые процессы: множественное рождение составляет основной фон для поиска редких событий (например, распада SUSY-частиц или тёмной материи).
• Тестирование моделей КХД: структура каскадов, плотность струй и спектры позволяют тестировать пертурбативную и непертурбативную КХД.
• Сигналы фазовых переходов: при столкновении тяжёлых ионов множественное рождение связано с переходом в кварк-глюонную плазму (КГП). Повышенная плотность частиц, изменённая форма корреляций и аномальные флуктуации могут быть индикаторами этого перехода.

Теоретические вызовы

Несмотря на большой прогресс, полное описание множественного рождения остаётся одной из наиболее сложных задач в физике высоких энергий. Основные трудности:

• Проблема конфайнмента: не существует строго аналитического описания перехода от кварков и глюонов к адронам.
• Ограниченность применения пертурбативных методов.
• Сложность моделирования коллективных эффектов и нестабильных состояний материи (например, КГП).
• Необходимость включения многоточечных корреляций, флуктуаций и динамики полей.

В этой связи численные методы (монте-карло модели типа PYTHIA, HERWIG, EPOS) и феноменологические подходы играют критически важную роль в интерпретации наблюдаемых данных и экстраполяции на новые энергетические режимы.