ATLAS-eksperiment studerer fotonmærket jet-quenching i kvark-gluon-plasmaet

Kollisioner af blykerner i LHC danner de varme, tæt medium kendt som kvark-gluonplasma (QGP). Eksperimentelt, QGP er kendetegnet ved den kollektive strøm af nye kvarker og gluoner. De fragmenteres til stærkt kollimerede "jetstråler" af partikler, der igen mister energi gennem et fænomen kendt som jet-quenching. At studere denne effekt kan forbedre forståelsen af ​​kvantekromodynamikken, teorien om den stærke nukleare interaktion, der styrer QGP's adfærd.

I ATLAS -eksperimentet på CERN, jetquenching er blevet målt ved hjælp af en række forskellige teknikker. I en metode, den samlede produktionshastighed for store tværgående momentstråler viser sig at være væsentligt undertrykt i "centrale" bly-bly-kollisioner (dem, hvor de kolliderende blykerner har et stort overlap og skaber et udvidet område af QGP). Jet quenching er også blevet observeret ved individuelle begivenheder, såsom når den forventede momentumbalance mellem par jetfly viser sig at være forvrænget af tilstedeværelsen af ​​QGP -mediet.

Begivenheder, hvor en stråle fremstilles modsat en foton med høj momentum, er særlig nyttige, da fotonet ikke mærkbart interagerer med kvarkerne og gluonerne, der udgør mediet. Brøkdelen af ​​fotonens momentum båret af balancestrålen ved bly-bly-kollisioner er blevet målt af ATLAS, og viste sig at være stærkt skiftet til lavere værdier, afspejler dæmpningen af ​​jetens samlede momentum, når den passerer gennem mediet.

Ud over at slukke det overordnede jetmomentum, mediet kan også fordreje, hvordan det resterende momentum spredes blandt hadronerne i strålen. Disse såkaldte "fragmenteringsfunktioner" er blevet målt for første gang af ATLAS for stråler modsat en foton i proton-proton og bly-bly kollisioner.

Photon+jet -begivenheder vil højst sandsynligt opstå fra Compton -spredning af en gluon i en af ​​bjælkerne ud for en kvark i den anden stråle, hvilket betyder, at strålen overfor foton højst sandsynligt blev initieret af en fragmenterende kvark. Derimod, jets med et lignende momentum, men uden en tilhørende foton, er mere tilbøjelige til at komme fra fragmenterende gluoner. Figur 2 sammenligner disse forskellige fragmenteringsfunktioner ved proton -protonkollisioner, vist her som en funktion af hadronernes tværgående momentum inde i en stråle. Stråler, der primært initieres af en kvark, har et fragmenteringsmønster, der er mere tilbøjelige til at skabe mere energiske fragmenter end gluon-majoritetsstrålerne, som forventet fra tidligere undersøgelser af kvark- og gluonstråler.

I perifere bly-bly-kollisioner (hvor kernerne har beskedent overlap og skaber en moderat størrelse QGP-region), fragmenteringsfunktionen for fotonbalancerende jetfly viser sig at være væsentligt modificeret i forhold til funktionen ved proton-proton-kollisioner, afspejler virkningerne af det forvrængende medium. I centrale lednings-ledningskollisionshændelser, disse ændringer er fundet at være endnu større. Dette er vist i figur 3, som sammenligner forholdet mellem fragmenteringsfunktionen i centrale og perifere lead-lead-hændelser, til begge typer jetfly. Disse resultater tyder på, at når jetfly kører gennem en større og varmere QGP -region, deres interne struktur er systematisk yderligere modificeret.

Spændende nok, undersøgelser af fragmenteringsfunktionen for inklusive jetfly observerer en anden adfærd - som er forbi en bestemt QGP -størrelse, de nye jetfly bliver ikke ved med at blive ændret. Da dette uventede træk ved dataene kan skyldes en række faktorer, mere detaljerede undersøgelser med de højere foton+jet-statistikker, der forventes i 2018-lead-lead-datatagning, vil være nyttige for at afsløre oprindelsen til denne effekt.