En charmkvark (c) i en partondusch förlorar energi genom att sända ut strålning i form av gluoner (g). Duschen visar en död kon av undertryckt strålning runt kvarken för vinklar som är mindre än förhållandet mellan kvarkens massa (m) och energi (E). Energin minskar vid varje steg i duschen. Kredit:CERN
ALICE-samarbetet vid Large Hadron Collider (LHC) har gjort den första direkta observationen av död-kon-effekten – en grundläggande egenskap i teorin om den starka kraft som binder kvarkar och gluoner samman till protoner, neutroner och, i slutändan, alla atomära kärnor. Förutom att bekräfta denna effekt, rapporterade observationen i en tidning som publicerades idag i Nature , ger direkt experimentell tillgång till massan av en enda charmkvark innan den begränsas inuti hadroner.
"Det har varit mycket utmanande att observera den döda konen direkt", säger ALICEs talesperson Luciano Musa. "Men genom att använda tre års data från proton-protonkollisioner vid LHC och sofistikerade dataanalystekniker har vi äntligen kunnat avslöja det."
Kvarkar och gluoner, gemensamt kallade partoner, produceras i partikelkollisioner som de som äger rum vid LHC. Efter att de skapats genomgår partoner en kaskad av händelser som kallas en partondusch, varvid de förlorar energi genom att sända ut strålning i form av gluoner, som också avger gluoner. Strålningsmönstret för denna dusch beror på massan av den gluonemitterande partonen och visar ett område runt partonens flygriktning där gluonemissionen undertrycks - den döda konen.
Förutspått för trettio år sedan från de första principerna i teorin om den starka kraften, har den döda konen observerats indirekt vid partikelkolliderare. Det har dock varit utmanande att observera det direkt från partonduschens strålningsmönster. De främsta anledningarna till detta är att den döda konen kan fyllas med de partiklar som den emitterande partonen omvandlas till, och att det är svårt att avgöra partonens ändrade riktning under hela duschprocessen.
När partonduschen fortskrider släpps gluoner ut i mindre vinklar och kvarkens energi minskar, vilket resulterar i större döda koner av undertryckt gluonemission. Kredit:CERN
ALICE-samarbetet övervann dessa utmaningar genom att tillämpa toppmoderna analystekniker på ett stort urval av proton-protonkollisioner vid LHC. Dessa tekniker kan rulla partonduschen tillbaka i tiden från dess slutprodukter – signalerna som lämnas kvar i ALICE-detektorn av en spray av partiklar som kallas en jet. Genom att leta efter jetstrålar som innehöll en partikel som innehöll en charmkvark kunde forskarna identifiera en jet som skapats av denna typ av kvark och spåra kvarkens hela historia av gluonutsläpp. En jämförelse mellan gluon-emissionsmönstret för charmkvarken med det för gluoner och praktiskt taget masslösa kvarkar avslöjade sedan en död kon i charmkvarkens mönster.
Resultatet exponerar också direkt massan av charmkvarken, eftersom teorin förutspår att masslösa partiklar inte har motsvarande döda kottar.
"Kvarkmassor är grundläggande storheter i partikelfysik, men de kan inte nås och mätas direkt i experiment eftersom kvarkar, med undantag för toppkvarken, är inneslutna i kompositpartiklar", förklarar ALICE fysikkoordinator Andrea Dainese. "Vår framgångsrika teknik att direkt observera en partonduschs döda kon kan erbjuda ett sätt att mäta kvarkmassor." + Utforska vidare
