Большой адронный коллайдер: новый взгляд на внутреннюю структуру протона

605

Хотя Большой адронный коллайдер (БАК) хорошо известен тем, что сталкивает друг с другом, на самом деле это сталкиваются и глюоны внутри протонов — все вместе известные как партоны — которые действительно взаимодействуют.

Таким образом, чтобы предсказать скорость процесса, происходящего в БАК, например, рождения бозона Хиггса или еще неизвестной частицы, физикам необходимо понять, как ведут себя партоны внутри протона. Это поведение описано в функциях распределения партонов (Parton Distribution Functions, PDF), которые описывают, какая доля импульса протона приходится на составляющие его и глюоны.

Знания о PDF традиционно поступают из лептон-протонных коллайдеров, таких как HERA в DESY. Эти машины используют частицы, такие как электроны, для непосредственного исследования партонов внутри протона.

Их исследование показало, что в дополнение к хорошо известным верхним и нижним валентным кваркам, которые находятся внутри протона, в протоне также есть множество кварк-антикварковых пар. Это множество теоретически состоит из всех типов кварков, связанных вместе глюонами. Теперь исследования протон-протонных столкновений на позволяют детально изучить PDF, в частности глюонный и кварковый состав протона.

Коллаборация ATLAS недавно выпустила новую статью, объединяющую данные и HERA для определения PDF.

В результате используются данные ATLAS из нескольких различных процессов Стандартной модели, включая образование бозонов W и Z, пар топ-кварков и адронных струй (коллимированные брызги частиц). Традиционно считалось, что PDF странного кварка будет подавлен примерно в 2 раза по сравнению с PDF более легких кварков верхнего и нижнего типов из-за его большей массы.

Новая статья подтверждает предыдущий результат ATLAS, в котором было обнаружено, что странный кварк существенно не подавляется при малых долях импульса протона, и расширяет этот результат, чтобы показать, как подавление проявляется при более высоких долях импульса (x > 0,05), как показано на рисунке ниже.

Отношение плотности вероятности странного кварка к среднему значению плотности вероятности легкого кварка (Rs) в зависимости от доли импульса протона (x), которую получает каждый кварк, участвуя в столкновении. © ATLAS Collaboration/

 

Несколько теоретических групп по всему миру работают над пониманием PDF. Хотя их результаты в целом согласуются, были некоторые различия в доле высоких импульсов (x > 0,1), которые могут повлиять на поиск физики высоких энергий за пределами Стандартной модели.

Кроме того, становится все более очевидным, что необходимо лучшее понимание PDF при средних долях импульса (x ~ 0,01–0,1), если физики хотят найти доказательства процессов новой физики в отклонениях от Стандартной модели таких величин, как масса W-бозона или угол слабого смешивания. Для этого потребуется знание PDF с точностью ~ 1%.

Именно здесь анализ ATLAS вносит наибольший вклад, поскольку точность PDF зависит от детального знания систематических неопределенностей входных данных. Сотрудничество ATLAS может оценивать корреляции таких неопределенностей между своими наборами данных и учитывать их — способность, которая очень эффективно используется в их новом PDF-результате.

Такие знания ранее не были доступны за пределами ATLAS, что делает этот результат новым «путеводителем» для глобальных групп PDF. Оказывается, влияние таких корреляций может сместить центральные значения PDF на> 1% в области среднего импульса и намного больше в области высоких значений x, как показано на рисунке.

PDF антикварка нижнего типа (слева) и глюона (справа) как функция доли импульса протона (x). Основной результат анализа ATLAS (называемый ATLASpdf21), который учитывает корреляции систематических неопределенностей между наборами данных (красный), сравнивается с анализом, не учитывающим такие корреляции (синий). Панели внизу показывают это сравнение в соотношении.

Новое понимание ATLAS PDF будет использоваться в поиске новых физических процессов, когда перезапустится в конце этого года. Кроме того, методы, описанные в статье, помогут будущим группам анализа — как в ATLAS, так и за его пределами — в определении более точных функций распределения партонов.

Исследование опубликовано на arxiv.org
Смотрите также:
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии