Джет (физика элементарных частиц)

Джет — это узкий конус адронов частиц, образующихся в результате адронизации кварков и других и глюонов в экспериментах по физике элементарных частиц или в экспериментах с тяжелыми ионами . Частицы, несущие цветной заряд, то есть кварки и глюоны, не могут существовать в свободной форме из-за квантовой хромодинамики (КХД) ограничения , которое допускает только бесцветные состояния. Когда протоны сталкиваются при высоких энергиях, каждый из их цветных компонентов уносит часть цветового заряда. В соответствии с конфайнментом эти фрагменты создают вокруг себя другие цветные объекты, образуя бесцветные адроны. Ансамбль этих объектов называется струей, поскольку все фрагменты стремятся двигаться в одном направлении, образуя узкую «струю» частиц. Джеты измеряются в детекторах частиц и изучаются с целью определения свойств исходных кварков.

Определение струи включает в себя струйный алгоритм и схему рекомбинации. ^[1] Первый определяет, как некоторые входные данные, например частицы или объекты-детекторы, группируются в струи, а второй определяет, как струе присваивается импульс. Например, струи можно охарактеризовать тягой . Направление струи (ось струи) можно определить как ось тяги . В экспериментах по физике элементарных частиц струи обычно строятся из кластеров энерговыделений в детекторном калориметре . При изучении моделируемых процессов струи калориметра можно реконструировать на основе моделируемого отклика детектора. Однако в моделируемых образцах струи могут быть восстановлены и непосредственно из стабильных частиц, возникающих в результате процессов фрагментации. Струи уровня частиц часто называют джетами истины. Хороший струйный алгоритм обычно позволяет получить одинаковые наборы струй на разных уровнях развития событий. Типичными алгоритмами реконструкции струи являются, например, анти- k _T -алгоритм, k _T- алгоритм, конусный алгоритм. Типичной схемой рекомбинации является Е-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 в результате столкновения, и указывает ее фазу. Когда вещество КХД претерпевает фазовый переход в кварк-глюонную плазму , потери энергии в среде значительно возрастают, эффективно тушая (уменьшая интенсивность) вылетящую струю.

Примерами методов анализа струи являются:

корреляция струй
маркировка вкуса (например, b-тегирование )
реактивная подструктура.

Струнная модель Лунда является примером модели фрагментации струи.

Реактивное производство

Джеты образуются в процессах жесткого рассеяния КХД, создавая кварки или глюоны с высоким поперечным импульсом, или их собирательно называют партонами в партонной картине .

Вероятность создания определенного набора струй описывается сечением образования струи, которое представляет собой среднее значение элементарных пертурбативных кварковых, антикварковых и глюонных процессов КХД, взвешенных партонными функциями распределения . Для наиболее частого процесса образования пар струй — рассеяния двух частиц — сечение образования струи при адроном столкновении определяется выражением

\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

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

Элементарные сечения ${\hat {\sigma }}$ вычисляются, например, в ведущем порядке теории возмущений в Peskin & Schroeder (1995), раздел 17.4. Обзор различных параметризаций функций распределения партонов и расчеты в контексте генераторов событий Монте-Карло обсуждаются в T. Sjöstand et al. (2003), раздел 7.4.1.

Фрагментация струи

В расчетах пертурбативной КХД могут быть окрашенные партоны в конечном состоянии, но экспериментально наблюдаются только бесцветные адроны, которые в конечном итоге образуются. Таким образом, чтобы описать то, что наблюдается в детекторе в результате данного процесса, все вылетающие цветные партоны должны сначала подвергнуться партонному ливню, а затем объединить образовавшиеся партоны в адроны. Термины фрагментация и адронизация часто используются в литературе как синонимы для описания мягкого КХД-излучения, образования адронов или обоих процессов вместе.

Поскольку партон, образовавшийся в жестком рассеянии, выходит из взаимодействия, константа сильной связи будет возрастать по мере его отделения. Это увеличивает вероятность излучения КХД, которое преимущественно полого по отношению к партону-прародителю. Таким образом, один партон будет излучать глюоны, которые, в свою очередь, будут излучать
д

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

{\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 с последовательно более низкой энергией и, следовательно, должен выйти из области применимости пертурбативной КХД. Затем необходимо применить феноменологические модели для описания продолжительности времени, в течение которого происходит ливень, а затем объединения цветных партонов в связанные состояния бесцветных адронов, что по своей сути не является пертурбативным. Одним из примеров является модель струн Лунда, которая реализована во многих современных генераторах событий .

Инфракрасная и коллинеарная безопасность

Алгоритм струи безопасен для инфракрасного излучения, если он дает тот же набор струй после изменения события для добавления мягкого излучения. Аналогично, струйный алгоритм является коллинеарно безопасным, если окончательный набор струй не изменяется после введения коллинеарного разделения одного из входных данных. Есть несколько причин, по которым струйный алгоритм должен удовлетворять этим двум требованиям. Экспериментально струи полезны, если несут информацию о затравочном партоне. Ожидается, что при образовании затравочный партон подвергнется партонному ливню, который может включать серию почти коллинеарных расщеплений перед началом адронизации. Более того, струйный алгоритм должен быть устойчивым к колебаниям отклика детектора. Теоретически, если алгоритм струи не является инфракрасным и коллинеарным, он не может гарантировать, что конечное сечение может быть получено при любом порядке теории возмущений.

См. также

Знания о событиях

Ссылки

^ Салам, Гэвин П. (1 июня 2010 г.). «На пути к джетографии» . Европейский физический журнал C . 67 (3): 637–686. arXiv : 0906.1833 . Бибкод : 2010EPJC...67..637S . дои : 10.1140/epjc/s10052-010-1314-6 . ISSN 1434-6052 . S2CID 119184431 .

Андерссон, Б.; Густавсон, Г.; Ингельман, Г.; Сьёстранд, Т. (1983). «Партонная фрагментация и динамика струн». Отчеты по физике . 97 (2–3). Эльзевир Б.В.: 31–145. Бибкод : 1983PhR....97...31A . дои : 10.1016/0370-1573(83)90080-7 . ISSN 0370-1573 .
Эллис, Стивен Д.; Сопер, Дэвисон Э. (1 октября 1993 г.). «Алгоритм последовательной комбинации струй для столкновений адронов». Физический обзор D . 48 (7). Американское физическое общество (APS): 3160–3166. arXiv : hep-ph/9305266 . Бибкод : 1993PhRvD..48.3160E . дои : 10.1103/physrevd.48.3160 . ISSN 0556-2821 . S2CID 2667115 .
М. Дьюласи и др. , «Тушение струи и радиационная потеря энергии в плотной ядерной материи», в RC Hwa & X.-N. Ван (ред.), Quark Gluon Plasma 3 (World Scientific, Сингапур, 2003).
Дж. Э. Хут и др. , в Э. Л. Бергере (редактор), Труды направлений исследований на десятилетие: Снежный массив, 1990 г. , (World Scientific, Сингапур, 1992), 134. (Препринт на библиотечном сервере Фермилаб)
М. Е. Пескин, Д. В. Шредер, "Введение в квантовую теорию поля" (Вествью, Боулдер, Колорадо, 1995) .
Т. Шёстранд и др. , «Пифия 6.3 Физика и руководство», Отчет ЛУ ТП 03-38 (2003).
Г. Стерман, «QCD и самолеты», отчет YITP-SB-04-59 (2004).

Внешние ссылки

Генератор событий Pythia/Jetset Monte Carlo
Программа FastJet кластеризации реактивных самолетов

[1] Салам, Гэвин П. (1 июня 2010 г.). «На пути к джетографии» . Европейский физический журнал C . 67 (3): 637–686. arXiv : 0906.1833 . Бибкод : 2010EPJC...67..637S . дои : 10.1140/epjc/s10052-010-1314-6 . ISSN 1434-6052 . S2CID 119184431 .

[1]