Процессы, происходящие при соударениях частиц
высоких энергий, могут быть упругими или неупругими. В упругих процессах
происходит обмен импульсом (энергией) между сталкивающимися частицами, при этом
не происходит изменения внутренней структуры сталкивающихся частиц. В неупругих
процессах происходит образование новых частиц. Для протонов с импульсами выше
1
ГэВ/с возможны как упругие, так и неупругие процессы. Вклад неупругих процессов
в полное сечение взаимодействия быстро растёт с увеличением энергии
взаимодействия. Доля упругого рассеяния уменьшается до 7% для протонов с
импульсом 100 ГэВ/с и далее практически не изменяется при увеличении импульсов
сталкивающихся частиц. Таким образом, неупругие соударения являются основным
взаимодействием протонов высоких энергий.
Рожденные в неупругих соударениях частицы, в
основном, являются пионами. Странные частицы и барион-антибарионные пары имеют
на один или два порядка меньшую вероятность образования. Образование адронов,
содержащих с- и b-кварки, происходит с еще меньшей
вероятностью порядка 10-3-10-5. Для t-кварка эта
вероятность еще меньше.
При анализе характера взаимодействия обычно импульсы
вторичных частиц раскладывают на поперечную
и продольную
компоненты
относительно направления сталкивающихся частиц. Величина поперечного импульса
вторичных частиц характеризует величину импульса, переданного частице в процессе
взаимодействия. Процессы неупругого взаимодействия с рождением частиц с малыми
поперечными импульсами ( = 0.4 ГэВ/с) относятся к
"мягким" взаимодействиям.
Вторичные частицы с поперечными импульсами свыше 1 ГэВ/с возникают в "жестких"
соударениях, т.е. когда в процессе взаимодействия происходят большие передачи
импульса.
Как известно, кварки в свободном состоянии не
наблюдаются. Если в процессах взаимодействия элементарных частиц рождается
кварк-антикварковая пара, то каждый из кварков сразу подхватывает себе партнера
из "моря" и образует адрон. Обычно, энергии каждого из кварков хватает на
образование не одного, а нескольких адронов. Эти адроны имеют суммарный импульс,
равный импульсу породившего их кварка, и движутся в узком конусе в
направлении, в котором летел породивший их кварк. Такую группу адронов называют
струей (jet). Кварки, образованные в жестких
соударениях, обычно порождают струи частиц.
 Рис. 6. Диаграмма образования двухструйного события. |
На рис. 6 показана диаграмма образования двухструйного события. На первом этапе при аннигиляции электрона и позитрона
рождается виртуальный фотон, то есть такой фотон, для которого не выполняется
равенство между квадратом его энергии и квадратом его импульса. На втором этапе
виртуальный фотон распадается на кварк-антикварковую пару.
Темный овал на рисунке соответствует процессу
рождения кварком и антикварком множества адронов. Финальная стадия процесса
изображена в виде двух адронных струй (jet). В адронные
струи могут входить как заряженные, так и нейтральные частицы.
 Рис. 7. Диаграммы образования Z-бозонов. |
В жестких соударениях, наряду со всеми другими
процессами, происходит образование промежуточных Z-бозонов. Диаграммы этих
процессов показаны на рис. 7. Первая диаграмма отвечает аннигиляции кварка и антикварка в Z-бозон. Она аналогична левой части диаграммы рис. 6 для
аннигиляции электрон-позитронной пары в фотон. В таком процессе при определенном
подборе энергий сталкивающихся кварков Z-бозон может быть реальной, а не
виртуальной частицей.
Две другие диаграммы описывают процесс образования
Z-бозона с дополнительным излучением глюона при столкновении кварка и антикварка
и процесс совместного образования Z-бозона и кварка при слиянии кварка и глюона.
При высоких энергиях все три диаграммы дают примерно одинаковый вклад в сечение
рождения Z-бозонов.
 Рис. 8. Диаграмма рождения Z-бозонов в p 
столкновениях |
Впервые Z-бозоны наблюдались в 1983 году на ускорителе SppS CERN при столкновении пучков протонов и антипротонов. Z-бозоны образовывались при аннигиляции кварка протона с соответствующим ему антикварком антипротона. Характерная диаграмма такого процесса показана на рис. 8.
 Рис. 9. Диаграмма рождения Z-бозонов в е+е- столкновениях. |
Диаграмма рождения Z-бозона в
электрон-позитронной аннигиляции показана на рис. 9.
На коллайдере LЕР энергии электронного и
позитронного пучков подбирались таким образом, чтобы в сумме они были равны
массе Z-бозона. При этом сечение образования Z-бозона
повышается на несколько порядков по сравнению с сечениями образования любых
других частиц (резонансный эффект).
В протон-протонных столкновениях, которые будут
происходить на LHC, основные диаграммы рождения Z-бозона
те же, что и в случае протон-антипротонных столкновений. Имеется только одно
отличие. В протон-антипротонных столкновениях антикварки входили в состав
антипротона, в то время как в протон-протонных столкновениях антикварки
возникают из кваркового "моря". Однако светимость LНС гораздо выше светимости
SррS, поэтому даже в этом случае Z-бозонов на LНС будет рождаться на несколько
порядков больше, чем на SррS.
