Nye sonder af den stærke kraft:Præcisions jetunderbygning og Lund jetflyet

Et kendetegn for den stærke kraft ved Large Hadron Collider (LHC) er den dramatiske produktion af kollimerede jetfly af partikler, når kvarker og gluoner spredes ved høje energier. Partikelfysikere har studeret jetfly i årtier for at lære om strukturen af ​​kvantekromodynamikken - eller QCD, teorien om det stærke samspil - på tværs af en lang række energiskalaer.

På grund af deres allestedsnærværende, vores forståelse af jetdannelse og QCD er en af ​​de faktorer, som kan begrænse forståelsen af ​​andre facetter af standardmodellen ved LHC. Ved at studere den rige understruktur af jetfly, fysikere kan samle nye spor om den stærke krafts adfærd ved høje energier. En forbedret forståelse af deres dannelse gavner også en bred vifte af andre undersøgelser, herunder målinger af topkvarken og Higgs-bosonen.

Præcisions jet underbygning

At dissekere jet-understrukturen kræver både præcise eksperimentelle målinger og teoretiske beregninger - to områder, der har avanceret betydeligt under kørsel 2 af LHC. På den eksperimentelle side, ATLAS-eksperimentet har udviklet en præcis ny metode til at rekonstruere ladede partikelspor inde i jetfly. Dette har traditionelt været ret udfordrende, på grund af den høje tæthed af partikler inde i kernen af ​​stråler.

På teorisiden, der har været et udbrud af nye teknikker til at repræsentere jet understruktur, herunder nye analytiske forudsigelser for, hvad eksperimenter skal observere i deres data. En vigtig ny teoretisk idé gør brug af klyngealgoritmer til at studere et jetflys bestanddele. Stråler konstrueres ved at tage et sæt partikler (eksperimentelt, spor og kalorimeter energiaflejringer) og sekventielt gruppere dem i par, indtil arealet af jetkandidaterne når en fast størrelse. Trinene i et jetflys klyngehistorie kan også gennemløbes omvendt, tillader dele af processen at blive forbundet med forskellige trin i et jetflys udvikling.

ATLAS Collaboration har frigivet nye målinger ved hjælp af denne nye declustering-metode. Fysikere var i stand til at undersøge specifikke øjeblikke i et jetflys udvikling, hvor en kvark eller en gluon udstråler en betydelig brøkdel af sin energi. Jetflyets masse på dette stadium er modtagelig for præcise teoretiske forudsigelser, som vist i figur 1.

At opnå dette resultat var en betydelig indsats, da ATLAS-fysikere først skulle tage højde for forvrængninger i dataene på grund af måleprocessen og estimere usikkerheden på disse korrektioner. De nye teoretiske forudsigelser gav en fremragende model af dataene, giver fysikere mulighed for at udføre en stringent test af den stærke kraft i et regime, der ikke tidligere var blevet testet med dette niveau af eksperimentel og teoretisk præcision.

Lund jetfly

Fysikere kan også se ud over et enkelt trin i klyngehistorien ved at studere en ny observerbar:Lund-jetflyet. Dens navn er afledt af Lund-plandiagrammerne, der er blevet brugt af QCD-samfundet i over 30 år, efter deres introduktion i et papir af forfattere fra Lunds Universitet (Sverige). I 2018, teoretikere anvendte tilgangen til jetunderbygning for første gang, design af et Lund-jetfly til at karakterisere den relative energi og vinkel for hvert declustering-trin (eller emission) under et jetflys udvikling. Gennem sit studie, fysikere kan undersøge de statistiske egenskaber for alle tilfælde, hvor kvarken eller gluonen, der initierede strålen, udstrålede en brøkdel af dens energi. Forskellige fysiske effekter bliver lokaliseret i specifikke områder af flyet, så hvis forudsigelser ikke beskriver dataene, fysikere kan identificere den epoke i et jetflys historie, der skal undersøges.

ATLAS har udført den første måling af Lund jetflyet, som er bygget ud fra energierne og vinklerne for hvert trin i et jetflys udvikling. ATLAS undersøgte omkring 30 millioner jetfly for at danne flyet vist i figur 2. Til dette resultat, fysikere brugte målinger af partikelspor, da de giver fremragende vinkelopløsning til at rekonstruere stråling fundet i den tætte kerne af jetfly.

Figuren bruger farver til at beskrive det gennemsnitlige antal emissioner observeret i den pågældende region. Strålens vinkelinformation er beskrevet i den vandrette akse, og dens energi ved den lodrette akse. Antallet af emissioner er omtrent konstant i nederste venstre hjørne (vidvinkel, stor energifraktion), og der er en stor undertrykkelse af emissioner i øverste højre hjørne (hvor vinklen er næsten kollineær, lavenergifraktion). Den første af disse observationer er relateret til den tætte skala-invarians af den stærke kraft, da masserne af de fleste kvarker er små sammenlignet med de relevante energier ved LHC. Undertrykkelsen i øverste højre hjørne skyldes hadronisering, den proces, hvorved kvarker danner bundne tilstande.

For virkelig at teste den stærke kraft, fysikere gravede dybere ned i dette resultat. Figur 3 viser et vandret snit gennem planet, sammenlignet med state-of-the-art forudsigelser baseret på parton brusemetoden. Parton brusere er numeriske simuleringer, som beskriver det fulde strålingsmønster inde i jetfly, inklusive antallet af partikler i bruseren, deres energier, vinkler og type.

De forskellige farvede forudsigelser i figur 3 ændrer ét aspekt af fysikmodelleringen ad gangen. For eksempel, de orange markører viser én forudsigelse, hvor den eneste forskel mellem de åbne og lukkede markører er den model, der bruges til at beskrive hadronisering. Det er spændende at se, at de åbne og lukkede orange markører kun adskiller sig på højre side af plottet, hvilket er præcis der, hvor hadroniseringseffekter forventes at være lokaliseret. Det samme gælder for de andre farver, for eksempel adskiller de åbne og lukkede grønne markører sig kun på venstre side af plottet. Dette demonstrerer nytten af ​​ATLAS-dataene til at lære mere om de forskellige facetter af den stærke kraft og forbedre Parton-brusemodellerne.

Et voksende udforskningsfelt

Den meget granulære ATLAS-detektor er velegnet til at måle jet-understruktur i detaljer, og der er stadig meget at lære om den stærke kraft ved høje energier. Selvom det historisk set har været en udfordring at udvinde indsigt fra målinger af jetunderstruktur, nylige teoretiske fremskridt har resulteret i en bedre forståelse af de første principper end nogensinde før. Dette har åbnet nye døre for at sætte QCD på prøve med ATLAS-data, som er gjort offentligt tilgængelige, så QCD-fællesskabet vil være i stand til at lære af disse tilføjelser til det voksende område af præcisionsmålinger af jetunderstruktur i de kommende år.