Физики ЦЕРНа непосредственно наблюдали фундаментальное явление в квантовой хромодинамике
В экспериментах на коллайдерах элементарные частицы взаимодействуют с большим переданным импульсом, создавая кварки и глюоны (известные как партоны), эволюция которых управляется сильным взаимодействием, как описано в теории квантовой хромодинамики. Эти партоны впоследствии испускают дополнительные партоны в процессе, который можно описать как партонный поток, который завершается образованием обнаруживаемых адронов. Изучение картины партонного ливня является одним из ключевых экспериментальных инструментов для проверки квантовой хромодинамики. Ожидается, что эта картина будет зависеть от массы инициирующего партона посредством явления, известного как эффект мертвого конуса.
Теперь физики из коллаборации ALICEна Большом адронном коллайдере в ЦЕРН сделали первое прямое наблюдение этого фундаментального явления. В дополнение к подтверждению этого эффекта наблюдение обеспечивает прямой экспериментальный доступ к массе одиночного очарованного кварка до того, как он будет заключен внутри адронов.
«Было очень сложно наблюдать за мертвым конусом напрямую», — говорит представитель ALICE Лучано Муса. «Но, используя данные протон-протонных столкновений на БАК за три года и сложные методы анализа данных, мы, наконец, смогли это обнаружить».
Кварки и глюоны, вместе называемые партонами, рождаются при столкновениях частиц, подобных тем, что происходят на БАК.
После своего создания партоны претерпевают каскад событий, называемый партонным потоком, в результате чего они теряют энергию, испуская излучение в виде глюонов, которые также испускают глюоны. Диаграмма излучения этого ливня зависит от массы излучающего глюоны партона и отображает область вокруг направления полета партона, где излучение глюона подавлено — мертвый конус.
Предсказанный тридцать лет назад из первых принципов теории сильного взаимодействия мертвый конус косвенно наблюдался на коллайдерах частиц.
Однако по-прежнему сложно наблюдать его непосредственно по диаграмме направленности потока партонов. Основные причины этого заключаются в том, что мертвый конус может быть заполнен частицами, в которые трансформируется излучающий партон, и в том, что трудно определить изменение направления партона на протяжении всего ливневого процесса.
Коллаборация ALICE преодолела эти проблемы, применив самые современные методы анализа к большой выборке протон-протонных столкновений на БАК.
Эти методы могут откатить поток партонов назад во времени по его конечным продуктам — сигналам, оставленным в детекторе ALICE брызгами частиц, известными как струя.
При поиске струй, включающих частицу, содержащую очарованный кварк, исследователи смогли идентифицировать струю, созданную этим типом кварка, и проследить всю историю испускания глюонов кварком.
Затем сравнение картины излучения глюонов очарованного кварка с диаграммой глюонов и практически безмассовых кварков выявило мертвый конус в структуре очарованного кварка.
Результат также напрямую раскрывает массу очарованного кварка, поскольку теория предсказывает, что безмассовые частицы не имеют соответствующих мертвых конусов.
«Массы кварков являются фундаментальными величинами в физике элементарных частиц, но к ним нельзя получить доступ и измерить их напрямую в экспериментах, потому что, за исключением топ-кварка, кварки заключены внутри составных частиц», — объясняет координатор ALICE Андреа Дайнес.
«Наша успешная методика прямого наблюдения мертвого конуса потока партонов может предложить способ измерения массы кварков».
«Благодаря доступу к кинематике излучающего очарованного кварка до адронизации и непосредственному раскрытию эффекта мертвого конуса наше измерение обеспечивает прямую чувствительность к массе квазисвободных очарованных кварков до того, как они связываются с адронами».
Исследование было опубликовано в журнале Nature.