Jet (partikkelfysikk) - Jet (particle physics)

Toppkvark og antitoppkvarkpar forfaller til jetfly, synlig som kollimerte samlinger av partikkelspor og andre fermioner i CDF -detektoren på Tevatron .

En stråle er en smal kjegle av hadroner og andre partikler som produseres ved den hadronization av en kvark eller gluon i en partikkel fysikk eller tung ion eksperiment. Partikler som bærer en fargeladning, for eksempel kvarker, kan ikke eksistere i fri form på grunn av QCD -innesperring som bare tillater fargeløse tilstander. Når et objekt som inneholder fargeladningsfragmenter, bærer hvert fragment bort noe av fargeladningen. For å adlyde innesperring, lager disse fragmentene andre fargede objekter rundt dem for å danne fargeløse objekter. Ensemblet til disse objektene kalles en jet, siden fragmentene alle har en tendens til å bevege seg i samme retning og danne en smal "jet" av partikler. Stråler måles i partikkeldetektorer og studeres for å bestemme egenskapene til de originale kvarkene.

En jetdefinisjon inkluderer en jetalgoritme og et rekombinasjonsopplegg. Førstnevnte definerer hvordan noen innganger, f.eks. Partikler eller detektorobjekter, grupperes i jetfly, mens sistnevnte angir hvordan et momentum tilordnes et jetfly. For eksempel kan jetfly preges av skyvekraften . Stråleretningen (jetaksen) kan defineres som skyveaksen . I eksperimenter med partikkelfysikk er jetfly vanligvis bygget fra klynger av energiavsetninger i detektorens kalorimeter . Når du studerer simulerte prosesser, kan kalorimeterstrålene rekonstrueres basert på en simulert detektorrespons. I simulerte prøver kan imidlertid jetfly også rekonstrueres direkte fra stabile partikler som kommer fra fragmenteringsprosesser. Partikkel-nivå jetfly blir ofte referert til som sannhetsstråler. En god jetalgoritme tillater vanligvis å skaffe lignende sett med jetfly på forskjellige nivåer i hendelsesutviklingen. Typiske jet-rekonstruksjonsalgoritmer er f.eks. Anti- k _T- algoritmen, k _T- algoritmen, kjegle-algoritmen. Et typisk rekombinasjonsopplegg er E-skjemaet, eller 4-vektorsystemet, der 4-vektoren i en stråle er definert som summen av 4-vektorer av alle dens bestanddeler.

I relativistisk tungionfysikk er jetfly viktige fordi den opprinnelige harde spredningen er en naturlig sonde for QCD -materien som ble opprettet i kollisjonen, og angir dens fase. Når QCD -stoffet gjennomgår en fasekryssing til kvarkgluonplasma , vokser energitapet i mediet betydelig, og effektivt slukker (reduserer intensiteten til) den utgående strålen.

Eksempel på jetanalyse teknikker er:

• jet korrelasjon
• smaksmerking (f.eks. b-merking )
• jet underkonstruksjon.

Den Lund strengen modellen er et eksempel på en stråle fragmentering modell.

Jet produksjon

Stråler produseres i QCD -prosesser med hard spredning, som skaper høye tverrgående momentum -kvarker eller gluoner, eller samlet kalt partoner i det partoniske bildet.

Sannsynligheten for å lage et bestemt sett med jetfly er beskrevet av jetproduksjonstverrsnittet , som er et gjennomsnitt av elementære perturbative QCD -kvark-, antikvark- og gluonprosesser, vektet av partonfordelingsfunksjonene . For den hyppigste produksjonsprosessen for jetpar, spredning av to partikler, tverrsnittet for jetproduksjon i en hadronisk kollisjon er gitt av

${\ displaystyle \ sigma _ {ij \ rightarrow k} = \ sum _ {i, j} \ int dx_ {1} dx_ {2} d {\ hat {t}} f_ {i}^{1} (x_ { 1}, Q^{2}) f_ {j}^{2} (x_ {2}, Q^{2}) {\ frac {d {\ hat {\ sigma}} _ {ij \ rightarrow k}} {d {\ hat {t}}}},}$

med

• x , Q ² : langsgående momentumfraksjon og momentumoverføring
• ${\ displaystyle {\ hat {\ sigma}} _ {ij \ rightarrow k}}$: forstyrrende QCD -tverrsnitt for reaksjonen ij  →  k
• ${\ displaystyle f_ {i}^{a} (x, Q^{2})}$: partonfordelingsfunksjon for å finne partikkelarter i i bjelke a .

Elementære tverrsnitt er f.eks. Beregnet til den ledende rekkefølgen av forstyrrelsesteori i Peskin & Schroeder (1995), avsnitt 17.4. En gjennomgang av ulike parameteriseringer av partonfordelingsfunksjoner og beregningen i sammenheng med Monte Carlo -hendelsesgeneratorer er diskutert i T. Sjöstrand et al. (2003), avsnitt 7.4.1. ${\ displaystyle {\ hat {\ sigma}}}$

Jetfragmentering

Perturbative QCD -beregninger kan ha fargede partoner i sluttilstanden, men bare de fargeløse hadronene som til slutt blir produsert, blir observert eksperimentelt. For å beskrive det som observeres i en detektor som et resultat av en gitt prosess, må alle utgående fargede partoner først gjennomgå partondusj og deretter kombinere de produserte partonene til hadroner. Begrepene fragmentering og hadronisering brukes ofte om hverandre i litteraturen for å beskrive myk QCD -stråling, dannelse av hadroner eller begge prosesser sammen.

Når partonen som ble produsert i en hard spredning forlater interaksjonen, vil den sterke koblingskonstanten øke med separasjonen. Dette øker sannsynligheten for QCD- stråling, som hovedsakelig er grunnt vinklet i forhold til den opprinnelige partonen. Dermed vil en parton utstråle gluoner, som igjen vil utstråle
q

q
par og så videre, med hver ny parton nesten collinear med sin forelder. Dette kan beskrives ved å involvere spinorene med fragmenteringsfunksjoner , på lignende måte som utviklingen av partondensitetsfunksjoner. Dette er beskrevet av en Dokshitzer  [ de ] - Gribov - Lipatov - Altarelli - Parisi ( DGLAP ) type ligning ${\ displaystyle P_ {ji} \! \ venstre ({\ frac {x} {z}}, Q^{2} \ høyre)}$

${\ displaystyle {\ frac {\ partial} {\ partiell \ ln Q^{2}}} D_ {i}^{h} (x, Q^{2}) = \ sum _ {j} \ int _ { x}^{1} {\ frac {dz} {z}} {\ frac {\ alpha _ {S}} {4 \ pi}} P_ {ji} \! \ venstre ({\ frac {x} {z }}, Q^{2} \ høyre) D_ {j}^{h} (z, Q^{2})}$

Partons dusjing produserer deler av suksessivt lavere energi, og må derfor forlate gyldighetsområdet for forstyrrende QCD . Fenomenologiske modeller må deretter brukes for å beskrive lengden på tid når dusjing skjer, og deretter kombinasjonen av fargede partoner til bundne tilstander av fargeløse hadroner, som iboende ikke er forstyrrende. Et eksempel er Lund String Model , som er implementert i mange moderne hendelsesgeneratorer .

Infrarød og kollinær sikkerhet

En jetalgoritme er infrarødsikker hvis den gir det samme settet med jetfly etter å ha endret en hendelse for å legge til myk stråling. På samme måte er en jetalgoritme kollinærsikker hvis det siste settet med jetfly ikke endres etter innføring av en kollinær splitting av en av inngangene. Det er flere grunner til at en jet -algoritme må oppfylle disse to kravene. Eksperimentelt er jetfly nyttige hvis de inneholder informasjon om frøpartonen. Når den produseres, forventes frøpartonen å gjennomgå en partonsdusj, som kan inneholde en rekke nesten-collinear splittelser før hadroniseringen starter. Videre må jetalgoritmen være robust når det gjelder svingninger i detektorresponsen. Teoretisk sett, hvis en jetalgoritme ikke er infrarød og kollinærsikker, kan det ikke garanteres at et endelig tverrsnitt kan oppnås i hvilken som helst rekkefølge av forstyrrelsesteori.

Se også

• Dijet -arrangement

Referanser

• Andersson, B .; Gustafson, G .; Ingelman, G .; Sjöstrand, T. (1983). "Parton fragmentering og strengdynamikk". Fysikkrapporter . Elsevier BV. 97 (2–3): 31–145. doi : 10.1016/0370-1573 (83) 90080-7 . ISSN  0370-1573 .
• Ellis, Stephen D .; Soper, Davison E. (1993-10-01). "Etterfølgende kombinasjonsstråle -algoritme for hadronkollisjoner". Physical Review D . American Physical Society (APS). 48 (7): 3160–3166. arXiv : hep-ph/9305266 . doi : 10.1103/physrevd.48.3160 . ISSN  0556-2821 .
• M. Gyulassy et al. , "Jet Quenching and Radiative Energy Loss in Dense Nuclear Matter", i RC Hwa & X.-N. Wang (red.), Quark Gluon Plasma 3 (World Scientific, Singapore, 2003).
• JE Huth et al. , i EL Berger (red.), Proceedings of Research Directions For The Decade: Snowmass 1990 , (World Scientific, Singapore, 1992), 134. (Preprint på Fermilab Library Server)
• ME Peskin, DV Schroeder, "An Introduction to Quantum Field Theory" (Westview, Boulder, CO, 1995) .
• T. Sjöstrand et al. , "Pythia 6.3 Physics and Manual", Rapport LU TP 03-38 (2003).
• G. Sterman, "QCD and Jets", rapport YITP-SB-04-59 (2004).

Eksterne linker

• Hendelsesgeneratoren Pythia/Jetset Monte Carlo
• Den FastJet stråle clustering program