Процесс Дрелла–Яна

Процесс Дрелла–Яна происходит при рассеянии адронов на адронах высокой энергии . Он происходит, когда кварк одного адрона и антикварк другого адрона аннигилируют, создавая виртуальный фотон или Z-бозон , который затем распадается на пару противоположно заряженных лептонов . Важно отметить, что энергия сталкивающейся пары кварк-антикварк может быть почти полностью преобразована в массу новых частиц. Этот процесс был впервые предложен Сиднеем Дреллом и Тунг-Моу Яном в 1970 году ^[1] для описания образования пар лептон – антилептон при столкновениях адронов высокой энергии. Экспериментально этот процесс впервые наблюдали Дж. Х. Кристенсон и др. ^[2] при столкновениях протонов с ураном на синхротроне с переменным градиентом .

Обзор

Процесс Дрелла–Яна изучается как в экспериментах с фиксированной мишенью, так и в экспериментах на коллайдерах. Он предоставляет ценную информацию о функциях распределения партонов (PDF), которые описывают, как импульс входящего высокоэнергетического нуклона распределяется между его составными партонами. Эти PDF являются основными ингредиентами для расчета практически всех процессов на адронных коллайдерах. Хотя PDF должны быть выведены в принципе, текущее незнание некоторых аспектов сильного взаимодействия препятствует этому. Вместо этого формы PDF выводятся из экспериментальных данных.

Процесс Дрелла–Яна и глубоконеупругое рассеяние

PDF определяются с использованием мировых данных из глубоконеупругого рассеяния , процесса Дрелла–Яна и т. д. Процесс Дрелла–Яна тесно связан с глубоконеупругим рассеянием; диаграмма Фейнмана процесса Дрелла–Яна получается, если диаграмма Фейнмана глубоконеупругого рассеяния повернуть на 90°. Временной виртуальный фотон или Z-бозон рождается в s -канале в процессе Дрелла–Яна, тогда как пространственно-подобный виртуальный фотон или Z-бозон рождается в t -канале в глубоконеупругом рассеянии.

Чувствительность к асимметрии вкуса легкого морского кварка в протоне

Наивно полагалось, что море кварков в протоне образовано процессами квантовой хромодинамики (КХД), которые не различают верхние и нижние кварки. Однако результаты глубокого неупругого рассеяния мюонов высокой энергии на протоне и дейтроне , полученные CERN-NMC ^[3]^[4], показали, что в протоне больше d , чем u . Сумма Готфрида, измеренная NMC, составила 0,235±0,026, что значительно меньше ожидаемого значения 1/3. Это означает, что d ( x )- u ( x ), интегрированная по x Бьёркена от 0 до 1,0, составляет 0,147±0,039, что указывает на асимметрию ароматов в море протонов. Недавние измерения с использованием рассеяния Дрелла–Яна исследовали асимметрию ароматов протона. ^[5]^[6]^[7] В ведущем порядке по константе связи сильного взаимодействия, α _s , сечение Дрелла-Яна определяется выражением

${\frac {d^{2}\sigma}{dx_{1}dx_{2}}}={\frac {4\pi \alpha}{9x_{1}x_{2}}}\sum _{i\in u,d,s,\cdots}e_{i}^{2}\left[q_{i}^{A}(x_{1}){\bar {q}}_{i}^{B}(x_{2})+{\bar {q}}_{i}^{A}(x_{1})q_{i}^{B}(x_{2})\right]$

где — постоянная тонкой структуры , — заряд кварка с ароматом , а обозначают функцию распределения партонов в адроне и адроне , с импульсом и соответственно. Аналогично обозначают распределения антикварков. $\альфа$ $e_{i}$ $я$ $q_{i}^{A,B}(x_{1,2})$ $А$ $Б$ $x_{1}$ $x_{2}$ ${\bar {q}}_{i}^{A,B}(x_{1,2})$

Используя изоспиновую симметрию, функции распределения партонов для протона и нейтрона связаны следующим образом:

${\begin{align}u(x)&\equiv u^{p}(x)=d^{n}(x)\\d(x)&\equiv d^{p}(x)=u^{n}(x)\\{\bar {u}}(x)&\equiv {\bar {u}}^{p}(x)={\bar {d}}^{n}(x)\\{\bar {d}}(x)&\equiv d^{p}(x)={\bar {u}}^{n}(x)\\\end{align}}$

Следовательно, сечение Дрелла-Яна для протона на дейтерии по сравнению с протоном на водороде можно записать как

${\begin{align}{\frac {\sigma ^{pd}}{2\sigma ^{pp}}}&={\frac {\sigma ^{pn}+\sigma ^{pp}}{2\sigma ^{pp}}}\\&={\frac {1}{2}}\left[1+{\frac {4u(x_{1}){\bar {d}}(x_{2})+d(x_{1}){\bar {u}}(x_{2})}{4u(x_{1}){\bar {u}}(x_{2})+d(x_{1}){\bar {d}}(x_{2})}}\right]\end{align}}$

Используя тот факт, что в протоне больше кварков, это отношение можно приблизительно выразить как $u$

{\frac {\sigma ^{pd}}{2\sigma ^{pp}}}\approx {\frac {1}{2}}\left[1+{\frac {{\bar {d}}(x_{2})}{{\bar {u}}(x_{2})}}\right]

где и — распределения анти-вниз и анти-вверх кварков в протонном море , а — масштабная переменная Бьёркена (доля импульса целевого кварка в партонной модели ). ^[5]^[8] ${\bar {d}}(x)$ ${\bar {u}}(x)$ $x$ $x$

рождение Z-бозона

Рождение Z-бозонов посредством процесса Дрелла–Яна дает возможность изучать связи Z-бозона с кварками . Основной наблюдаемой является асимметрия вперед-назад в угловом распределении двух лептонов в их системе центра масс .

Если существуют более тяжелые нейтральные калибровочные бозоны (см. Z'-бозон ), они могут быть обнаружены как пик в спектре инвариантной массы дилептона во многом таким же образом, как стандартный Z-бозон появляется благодаря процессу Дрелла–Яна.

Процесс Дрелла-Яна и лежащее в его основе событие

Несмотря на то, что высокоэнергетические процессы КХД доступны через теорию возмущений, низкоэнергетические эффекты, такие как адронизация, по-прежнему поняты только с феноменологической точки зрения. Поскольку виртуальные фотоны и Z-бозоны не способны переносить цветные заряды, свойства базового события могут быть эффективно изучены в выборках событий Дрелла–Яна, где адронный фон игнорируется. ^[9] Остается чистое базовое событие, нечувствительное к физике жесткого процесса Дрелла–Яна. Другие процессы могут страдать от проблем с неправильной идентификацией, поскольку они также могут производить адронные струи в жестком процессе. $Z^{0}(\gamma ^{*})\to \ell ^{+}\ell ^{-}$

Смотрите также

Фермилаб E-906/SeaQuest

Ссылки

^ Дрелл, SD; Ян, T.-M. (1970). «Массовое рождение лептонных пар в столкновениях адрон-адронов при высоких энергиях». Physical Review Letters . 25 (5): 316–320. Bibcode : 1970PhRvL..25..316D. doi : 10.1103/PhysRevLett.25.316. OSTI 1444835. S2CID 16827178.
И исправленный вариант в Drell, SD; Yan, T.-M. (1970). Physical Review Letters . 25 (13): 902. Bibcode : 1970PhRvL..25..902D. doi : 10.1103/PhysRevLett.25.902.2 . OSTI 1444835.{{cite journal}}: CS1 maint: untitled periodical (link)
^ Christenson, JH; et al. (1970). "Наблюдение массивных мюонных пар в столкновениях адронов" (PDF) . Physical Review Letters . 25 (21): 1523–1526. Bibcode : 1970PhRvL..25.1523C. doi : 10.1103/PhysRevLett.25.1523.
^ Амаудрус, П.; и др. (1991). "Сумма Готтфрида из отношения F2n/F2p" (PDF) . Physical Review Letters . 66 (21): 2712–2715. doi :10.1103/PhysRevLett.66.2712. PMID 10043597.
^ Arneodo, M.; et al. (1994). "Повторная оценка суммы Готфрида" (PDF) . Physical Review D. 50 ( 1): R1–R3. Bibcode :1994PhRvD..50....1A. doi :10.1103/PhysRevD.50.R1. PMID 10017566.
^ ab Hawker, EA; et al. (1998). «Измерение асимметрии аромата легкого антикварка в море нуклонов». Physical Review Letters . 80 (17): 3715–3718. arXiv : hep-ex/9803011 . Bibcode : 1998PhRvL..80.3715H. doi : 10.1103/PhysRevLett.80.3715. S2CID 54921026.
^ Towell, RS; et al. (2001). "Улучшенное измерение асимметрии d / u в море нуклонов". Physical Review D. 64 ( 5): 052002. arXiv : hep-ex/0103030 . Bibcode : 2001PhRvD..64e2002T. doi : 10.1103/PhysRevD.64.052002. S2CID 118231497.
^ Балдит, А.; и др. (1994). «Изучение нарушения симметрии изоспина в море легких кварков нуклона из процесса Дрелла-Яна» (PDF) . Physics Letters B. 332 ( 1–2): 244–250. Bibcode : 1994PhLB..332..244B. doi : 10.1016/0370-2693(94)90884-2.
^ Dove, J; et al. (2022). «Асимметрия антиматерии в протоне». Nature . 590 : 561–565. arXiv : 2103.04024 . doi :10.1038/s41586-021-03282-z.
^ Аад, Г.; Эбботт, Б.; Абдалла, Дж.; Абдинов О.; Абелос, Б.; Абен, Р.; Аболинс, М.; Абузейд, ОС; Авраам, Нидерланды; Абрамович, Х.; Абреу, Х.; Абреу, Р.; Абулаити, Ю.; Ачарья, Б.С.; Адамчик, Л.; Адамс, Д.Л.; Адельман, Дж.; Адомейт, С.; Адье, Т.; Аффолдер, А.А.; Агатонович-Йовин, Т.; Агрикола, Дж.; Агилар-Сааведра, Дж.А.; Ален, СП; Ахмедов Ф.; Айелли, Г.; Акерстедт, Х.; Окессон, TPA; Акимов А.В.; и др. (2016). «Измерение наблюдаемых событийных форм в событиях Z → ℓ+ ℓ− в столкновениях pp при s = 7 {\displaystyle {\sqrt {s}}=7} ТэВ с помощью детектора ATLAS на LHC». Европейский физический журнал C . 76 (7): 375. arXiv : 1602.08980 . doi :10.1140/epjc/s10052-016-4176-8. PMC 5321395 . PMID 28280446.