Первое прямое наблюдение эффекта мертвого конуса в физике элементарных частиц
Коллаборация ALICE на Большом адронном коллайдере (БАК) провела первое прямое наблюдение эффекта мертвого конуса — фундаментальной особенности теории сильного взаимодействия, которое связывает кварки и глюоны вместе в протоны, нейтроны и, в конечном счете, все атомы ядра. В дополнение к подтверждению этого эффекта наблюдение, о котором сообщается в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature, обеспечивает прямой экспериментальный доступ к массе одиночного очарованного кварка до того, как он будет заключен внутри адронов.
Очаровательный кварк (с) в партонном потоке теряет энергию, испуская излучение в виде глюонов (g). Ливень показывает мертвый конус подавленного излучения вокруг кварка для углов, меньших, чем отношение массы кварка (m) и энергии (E). Энергия уменьшается на каждом этапе ливня. Кредит: ЦЕРН
«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.
По мере прохождения партонного потока глюоны испускаются под меньшими углами, а энергия кварка уменьшается, что приводит к увеличению мертвых конусов подавленного испускания глюонов. Кредит: ЦЕРН
Коллаборация ALICE преодолела эти проблемы, применив самые современные методы анализа к большой выборке протон-протонных столкновений на LHC. 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 испускания глюонов очарованного кварка с диаграммой глюонов и практически безмассовых кварков выявило мертвый конус в картине очарования 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 физики ALICE Андреа Дайнес. «Наша успешная методика прямого наблюдения мертвого конуса потока партонов может предложить способ измерения массы кварков».
