Фізики ЦЕРНу безпосередньо спостерігали фундаментальне явище в квантовій хромодинаміці
Навчання
В експериментах на колайдерах елементарні частинки взаємодіють з великим переданим імпульсом, створюючи кварки і глюони (відомі як партони), еволюція яких управляється сильною взаємодією, як описано в теорії квантової хромодинаміки. Ці партони згодом випускають додаткові партони в процесі, який можна описати як партонний потік, який завершується утворенням виявлюваних адронів. Вивчення картини партонної зливи є одним з ключових експериментальних інструментів для перевірки квантової хромодинаміки. що ця картина буде залежати від маси ініціюючого партону за допомогою явища, відомого як ефект мертвого конуса.
Тепер фізики з колаборації ALCEна Великому адронному колайдері в ЦЕРН зробили перше пряме спостереження цього фундаментального явища. На додаток до підтвердження цього ефекту спостереження забезпечує прямий експериментальний доступ до маси одиночного зачарованого кварка до того, як він буде укладений всередині адронів.
«Було дуже складно спостерігати за мертвим конусом безпосередньо», - говорить представник ALICE Лучано Муса. «Але, використовуючи дані протон-протонних зіткнень на БАК за три роки і складні методи аналізу даних, ми, нарешті, змогли це виявити».
Кварки і глюони, разом звані партонами, народжуються при зіткненнях частинок, подібних тим, що відбуваються на БАК.
Після свого створення партони зазнають каскад подій, званий партонним потоком, в результаті чого вони втрачають енергію, випускаючи випромінювання у вигляді глюонів, які також випускають глюони. Діаграма випромінювання цієї зливи залежить від маси випромінюючого глюони партону і відображає область навколо напрямку польоту партону, де випромінювання глюону пригнічено - мертвий конус.
Передбачений тридцять років тому з перших принципів теорії сильної взаємодії мертвий конус побічно спостерігався на колайдерах частинок.
Однак як і раніше складно спостерігати його безпосередньо за діаграмою спрямованості потоку партонів. Основні причини цього полягають у тому, що мертвий конус може бути заповнений частинками, в які трансформується випромінювальний партон, і в тому, що важко визначити зміну напрямку партону протягом усього зливового процесу.
Колаборація ALICE подолала ці проблеми, застосувавши найсучасніші методи аналізу до великої вибірки протон-протонних зіткнень на БАК.
Ці методи можуть відкотити потік партонів назад у часі за його кінцевими продуктами - сигналами, залишеними в детекторі ALICE бризками частинок, відомими як струмінь.
При пошуку струменів, що включають частку, що містить зачарований кварк, дослідники змогли ідентифікувати струмінь, створений цим типом кварка, і простежити всю історію випускання глюонів кварком.
Потім порівняння картини випромінювання глюонів зачарованого кварка з діаграмою глюонів і практично безмасових кварків виявило мертвий конус у структурі зачарованого кварка.
Результат також безпосередньо розкриває масу зачарованого кварка, оскільки теорія пророкує, що безмасові частинки не мають відповідних мертвих конусів.
«Маси кварків є фундаментальними величинами у фізиці елементарних частинок, але до них не можна отримати доступ і виміряти їх безпосередньо в експериментах, тому що, за винятком топ-кварка, кварки укладені всередині складових частинок», - пояснює координатор ALICE Андреа Дайнес.
«Наша успішна методика прямого спостереження мертвого конуса потоку партонів може запропонувати спосіб вимірювання маси кварків».
«Завдяки доступу до кінематики випромінюючого зачарованого кварка до адронізації і безпосередньому розкриттю ефекту мертвого конуса наш вимір забезпечує пряму чутливість до маси квазісвободних чарівних кварків до того, як вони зв'язуються з адронами».
Дослідження було опубліковано в журналі Nature.
