Джет (физика элементарных частиц)

Пара топ-кварк и антитоп-кварк распадается на струи, видимые как коллимированные наборы треков частиц, и другие фермионы в детекторе CDF на Тэватроне .

Струя — это узкий конус адронов и других частиц, полученных путем адронизации кварков и глюонов в эксперименте по физике частиц или тяжелым ионам . Частицы, несущие цветовой заряд, т. е. кварки и глюоны, не могут существовать в свободной форме из-за ограничения квантовой хромодинамики (КХД) , которое допускает только бесцветные состояния. Когда протоны сталкиваются при высоких энергиях, их цветные заряженные компоненты уносят часть цветного заряда. В соответствии с ограничением эти фрагменты создают вокруг себя другие цветные объекты, образуя бесцветные адроны. Ансамбль этих объектов называется струей, поскольку все фрагменты имеют тенденцию двигаться в одном направлении, образуя узкую «струю» частиц. Струи измеряются в детекторах частиц и изучаются с целью определения свойств исходных кварков.

Определение струи включает алгоритм струи и схему рекомбинации. ^[1] Первый определяет, как некоторые входные данные, например, частицы или объекты детектора, группируются в струи, в то время как последний указывает, как импульс назначается струе. Например, струи могут быть охарактеризованы тягой . Направление струи (ось струи) может быть определено как ось тяги . В экспериментах по физике частиц струи обычно строятся из кластеров энергетических выделений в калориметре детектора . При изучении моделируемых процессов струи калориметра могут быть реконструированы на основе моделируемого отклика детектора. Однако в моделируемых образцах струи также могут быть реконструированы непосредственно из стабильных частиц, возникающих в результате процессов фрагментации. Струи на уровне частиц часто называют истинными струями. Хороший алгоритм струи обычно позволяет получать похожие наборы струй на разных уровнях в эволюции события. Типичными алгоритмами реконструкции струи являются, например, алгоритм анти- k _T , алгоритм k _T , алгоритм конуса. Типичной схемой рекомбинации является E-схема, или 4-векторная схема, в которой 4-вектор струи определяется как сумма 4-векторов всех ее составляющих.

В релятивистской физике тяжелых ионов струи важны, поскольку возникающее жесткое рассеяние является естественным зондом для материи КХД, созданной при столкновении, и указывает на ее фазу. Когда материя КХД претерпевает фазовый переход в кварк-глюонную плазму , потери энергии в среде значительно возрастают, эффективно гася (уменьшая интенсивность) исходящую струю.

Примерами методов анализа струй являются:

• корреляция струи
• маркировка вкуса (например, b-маркировка )
• реактивная подструктура.

Модель струны Лунда является примером модели фрагментации струи.

Производство реактивных двигателей

Струи возникают в процессах жесткого рассеяния КХД, создавая кварки или глюоны с высоким поперечным импульсом, или, в партонной картине, их совместно называют партонами .

Вероятность создания определенного набора струй описывается сечением образования струй, которое является средним значением элементарных пертурбативных процессов КХД кварков, антикварков и глюонов, взвешенных функциями распределения партонов . Для наиболее частого процесса образования пар струй, рассеяния двух частиц, сечение образования струй в адронном столкновении определяется как

${\displaystyle \sigma _{ij\rightarrow k}=\sum _{i,j}\int dx_{1}dx_{2}d{\hat {t}}f_{i}^{1}(x_{1},Q^{2})f_{j}^{2}(x_{2},Q^{2}){\frac {d{\hat {\sigma }}_{ij\rightarrow k}}{d{\hat {t}}}},}$

с

• x , Q ² : продольная доля импульса и передача импульса
• ${\displaystyle {\hat {\sigma }}_{ij\rightarrow k}}$: пертурбативное сечение КХД для реакции ij  →  k
• ${\displaystyle f_{i}^{a}(x,Q^{2})}$: функция распределения партонов для нахождения вида частиц i в пучке a .

Элементарные сечения , например, вычисляются в ведущем порядке теории возмущений в Пескине и Шредере (1995), раздел 17.4. Обзор различных параметризаций функций распределения партонов и вычислений в контексте генераторов событий Монте-Карло обсуждается в Т. Шёстранде и др. (2003), раздел 7.4.1. ${\displaystyle {\hat {\sigma }}}$

Дробление струи

Пертурбативные вычисления КХД могут иметь цветные партоны в конечном состоянии, но только бесцветные адроны, которые в конечном итоге производятся, наблюдаются экспериментально. Таким образом, чтобы описать то, что наблюдается в детекторе в результате данного процесса, все исходящие цветные партоны должны сначала подвергнуться партонному ливню, а затем объединению произведенных партонов в адроны. Термины фрагментация и адронизация часто используются взаимозаменяемо в литературе для описания мягкого излучения КХД, образования адронов или обоих процессов вместе.

Когда партон, который был создан в жестком рассеянии, выходит из взаимодействия, константа сильной связи будет увеличиваться с его разделением. Это увеличивает вероятность излучения КХД, которое преимущественно имеет пологий угол относительно партона-прародителя. Таким образом, один партон будет излучать глюоны, которые, в свою очередь, будут излучать
д

д
пары и так далее, причем каждый новый партон почти коллинеарен своему родителю. Это можно описать сверткой спиноров с функциями фрагментации , аналогично эволюции функций плотности партонов. Это описывается уравнением типа Докшицера  [de] - Грибова - Липатова - Альтарелли - Паризи ( DGLAP ) ${\displaystyle P_{ji}\!\left({\frac {x}{z}},Q^{2}\right)}$

${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial \ln Q^{2}}}D_{i}^{h}(x,Q^{2})=\sum _{j}\int _{x}^{1}{\frac {dz}{z}}{\frac {\alpha _{S}}{4\pi }}P_{ji}\!\left({\frac {x}{z}},Q^{2}\right)D_{j}^{h}(z,Q^{2})}$

Партонный ливень производит партоны последовательно более низкой энергии и, следовательно, должен выйти из области действия пертурбативной КХД. Затем должны быть применены феноменологические модели для описания длительности времени, когда происходит ливень, а затем объединения цветных партонов в связанные состояния бесцветных адронов, что по своей сути не является пертурбативным. Одним из примеров является модель струны Лунда, которая реализована во многих современных генераторах событий .

Инфракрасная и коллинеарная безопасность

Алгоритм струй является инфракрасно-безопасным, если он выдает тот же набор струй после модификации события для добавления мягкого излучения. Аналогично, алгоритм струй является коллинеарно-безопасным, если окончательный набор струй не изменяется после введения коллинеарного расщепления одного из входов. Существует несколько причин, по которым алгоритм струй должен соответствовать этим двум требованиям. Экспериментально струи полезны, если они несут информацию о затравочном партоне. При создании ожидается, что затравочный партон подвергнется партонному ливню, который может включать серию почти коллинеарных расщеплений до начала адронизации. Кроме того, алгоритм струй должен быть надежным, когда дело касается флуктуаций в отклике детектора. Теоретически, если алгоритм струй не является инфракрасно- и коллинеарно-безопасным, нельзя гарантировать, что конечное поперечное сечение может быть получено в любом порядке теории возмущений.

Смотрите также

• Диджет событие

Ссылки

1. Салам, Гэвин П. (2010-06-01). «К джетографии». The European Physical Journal C. 67 ( 3): 637–686. arXiv : 0906.1833 . Bibcode :2010EPJC...67..637S. doi :10.1140/epjc/s10052-010-1314-6. ISSN  1434-6052. S2CID  119184431.

• Андерссон, Б.; Густафсон, Г.; Ингельман, Г.; Сьёстранд, Т. (1983). «Фрагментация партонов и динамика струн». Physics Reports . 97 (2–3). Elsevier BV: 31–145. Bibcode :1983PhR....97...31A. doi :10.1016/0370-1573(83)90080-7. ISSN  0370-1573.
• Эллис, Стивен Д.; Сопер, Дэвисон Э. (1993-10-01). «Алгоритм последовательной комбинации струй для столкновений адронов». Physical Review D. 48 ( 7). Американское физическое общество (APS): 3160–3166. arXiv : hep-ph/9305266 . Bibcode : 1993PhRvD..48.3160E. doi : 10.1103/physrevd.48.3160. ISSN  0556-2821. S2CID  2667115.
• М. Дьюласси и др., «Гашение струй и потеря энергии излучения в плотной ядерной материи», в RC Hwa & X.-N. Wang (ред.), Quark Gluon Plasma 3 (World Scientific, Сингапур, 2003).
• JE Huth et al. , в EL Berger (ред.), Труды Research Directions For The Decade: Snowmass 1990 , (World Scientific, Сингапур, 1992), 134. (Препринт на сервере библиотеки Fermilab)
• М. Э. Пескин, Д. В. Шредер, «Введение в квантовую теорию поля» (Westview, Боулдер, Колорадо, 1995).
• Т. Шёстранд и др., «Pythia 6.3 Физика и руководство», Отчет LU TP 03-38 (2003).
• Г. Стерман, «КХД и струи», Отчет YITP-SB-04-59 (2004).

Внешние ссылки

• Генератор событий Pythia/Jetset Monte Carlo
• Программа кластеризации струй FastJet