Ett kännetecken för den starka kraften vid Large Hadron Collider (LHC) är den dramatiska produktionen av kollimerade partikeldrag när kvarker och gluoner sprids vid höga energier. Partikelfysiker har studerat jets i årtionden för att lära sig om strukturen för kvantkromodynamik - eller QCD, teorin om den starka interaktionen - över ett brett spektrum av energivågor.

På grund av deras allestädes närvarande, vår förståelse av jetbildning och QCD är en av de faktorer som kan begränsa förståelsen för andra aspekter av standardmodellen vid LHC. Genom att studera den rika understrukturen för jetplan, fysiker kan samla nya ledtrådar om den starka kraftens beteende vid höga energier. En förbättrad förståelse för deras bildning gynnar också ett brett spektrum av andra studier, inklusive mätningar av toppkvarken och Higgs boson.

Precision jet underkonstruktion

Dissektering av jet -understruktur kräver både exakta experimentella mätningar och teoretiska beräkningar - två områden som har väsentligt avancerat under körning 2 av LHC. På den experimentella sidan, ATLAS -experimentet har utvecklat en exakt ny metod för att rekonstruera laddade partikelspår inuti jetstrålar. Detta har traditionellt varit ganska utmanande, på grund av den höga densiteten av partiklar inuti strålkärnan.

På teorisidan, det har skett ett utbrott av nya tekniker för att representera jetunderstruktur, inklusive nya analytiska förutsägelser för vilka experiment som bör observeras i deras data. En ny ny teoretisk idé använder klusteralgoritmer för att studera jetplanets beståndsdelar. Strålar konstrueras genom att ta en uppsättning partiklar (experimentellt, spår och kalorimeterenergiavlagringar) och sekventiellt klustera dem i par tills området för jetkandidaterna når en fast storlek. Stegen i en jets klusterhistorik kan också korsas omvänt, så att delar av processen kan associeras med olika steg i en jetens utveckling.

ATLAS Collaboration har släppt nya mätningar med hjälp av denna nya avkodningsmetodik. Fysikerna kunde undersöka specifika moment i en jetens utveckling där en kvark eller en gluon utstrålar en betydande bråkdel av dess energi. Jetens massa i detta skede är mottaglig för exakta teoretiska förutsägelser, som visas i figur 1.

Att uppnå detta resultat var en betydande strävan, eftersom ATLAS fysiker först måste ta hänsyn till snedvridningar i data på grund av mätprocessen och uppskatta osäkerheten kring dessa korrigeringar. De nya teoretiska förutsägelserna gav en utmärkt modell av data, låta fysiker utföra ett strikt test av den starka kraften i en regim som inte tidigare testats med denna nivå av experimentell och teoretisk precision.

Lunds jetplan

Fysiker kan också se bortom ett enda steg i klusterhistorien genom att studera en ny observerbar:jetplanet Lund. Dess namn härrör från Lund -plandiagrammen som har använts av QCD -samhället i över 30 år, efter introduktionen i en uppsats av författare från Lunds universitet (Sverige). År 2018, teoretiker tillämpade tillvägagångssättet för jetunderstruktur för första gången, designa ett Lund -jetplan för att karakterisera den relativa energin och vinkeln för varje declustering -steg (eller utsläpp) under en jet -utveckling. Genom sin studie, fysiker kan undersöka de statistiska egenskaperna för alla fall där kvarken eller gluonen som startade strålen utstrålade en del av dess energi. Olika fysiska effekter blir lokaliserade i specifika delar av planet, så att om förutsägelser inte beskriver data, fysiker kan identifiera den epok i en jetens historia som behöver undersökas.

ATLAS har utfört den första mätningen av Lunds jetplan, som är byggd utifrån energierna och vinklarna för varje steg i en jetens utveckling. ATLAS studerade cirka 30 miljoner jetplan för att bilda planet som visas i figur 2. För detta resultat, fysiker använde mätningar av partikelspår, eftersom de ger utmärkt vinkelupplösning för rekonstruktion av strålning som finns i jetens täta kärna.

Figuren använder färg för att beskriva det genomsnittliga antalet utsläpp som observerats i den regionen. Strålens vinkelinformation beskrivs i den horisontella axeln, och dess energi genom den vertikala axeln. Antalet utsläpp är ungefär konstant i nedre vänstra hörnet (vidvinkel, stor energifraktion) och det finns ett stort undertryck av utsläpp i det övre högra hörnet (där vinkeln är nästan kollinjär, låg energi fraktion). Den första av dessa observationer är relaterad till den närmaste skalan-invariansen av den starka kraften, eftersom massorna av de flesta kvarkerna är små jämfört med de relevanta energierna vid LHC. Undertryckningen i det övre högra hörnet beror på hadronisering, processen genom vilken kvarkar bildar bundna tillstånd.

För att verkligen testa den starka kraften, fysiker grävde djupare i detta resultat. Figur 3 visar en horisontell skiva genom planet, jämfört med toppmoderna förutsägelser baserade på parton shower-metoden. Partons duschar är numeriska simuleringar som beskriver hela strålningsmönstret inuti jetstrålar, inklusive antalet partiklar i duschen, deras energier, vinklar och typ.

De olika färgade förutsägelserna i figur 3 ändrar en aspekt av fysikmodelleringen åt gången. Till exempel, de orange markörerna visar en förutsägelse där den enda skillnaden mellan öppna och slutna markörer är modellen som används för att beskriva hadronisering. Det är spännande att se att de öppna och stängda orange markörerna bara skiljer sig åt på höger sida av tomten, det är precis där hadroniseringseffekter förväntas lokaliseras. Detsamma gäller för de andra färgerna, till exempel skiljer sig de öppna och stängda gröna markörerna bara åt på vänster sida av tomten. Detta visar nyttan av ATLAS -data för att lära sig mer om de olika aspekterna av den starka kraften och förbättra parton -duschmodeller.

Ett växande utforskningsområde

Den mycket granulära ATLAS-detektorn är väl lämpad för att mäta jetunderbyggnad i detalj, och det finns fortfarande mycket att lära om den starka kraften vid höga energier. Även om det rent historiskt har varit utmanande att extrahera insikter rent från jetmätningar under mätningar, de senaste teoretiska framstegen har resulterat i bättre förstagångsförståelse än någonsin tidigare. Detta har öppnat nya dörrar för att testa QCD med ATLAS -data, som har blivit offentligt tillgängliga, så QCD -gemenskapen kommer att kunna lära av dessa tillägg till det växande området för precisionsstråles underkonstruktion mätningar i många år framöver.