Струя (физика элементарных частиц)

Событие рождения двух t-кварков в детекторе CDF. В данном событии присутствуют 4 струи. Так как t-кварк распадается на b-кварк и W-бозон, то мы имеем 4 кварка: 2 b-кварка и 2 кварка из распада одного W-бозона, второй W-бозон распался на лептон и нейтрино. Иллюстрация по данным ускорителя Теватрон.

Адронная струя образуется несколькими элементарными частицами, летящими в одном направлении в узком конусе. Физическая причина образования струи — адронизация кварка или глюона с большой энергией (намного большей, чем масса пиона). В природе адронные струи образуются только искусственным образом, в экспериментах в физике высоких энергий.

Адронные струи в современных экспериментах

Экспериментально адронные струи изучаются при анализе энергии, оставленной заряженными частицами в калориметре детектора частиц. Обычно, калориметр разбит на множество небольших ячеек, в которых измеряется «высвеченная» энергия адронов, то есть энергия взаимодействия заряженных частиц или фотонов с материалом калориметра. Ячейки играют роль отдельных частиц для струи, и из них можно реконструировать струю и измерить некоторые её характеристики.

Примеры важных экспериментальных техник, необходимых для изучения адронных струй:

• Реконструкция струи (например, простой конусный алгоритм реконструкции или k_T алгоритм)
• Техника компенсации нейтральной компоненты струи (энергии, унесённой нейтральными частицами)
• Тагирование аромата кварков (например, b-тагирование).

Образование струй

Струи образуются в процессах рассеяния элементарных частиц, где рассеиваются или рождаются цветные объекты партоны, кварки или глюоны. Типичные процессы, где образуются струи, — аннигиляция электрона и позитрона в состояние гамма-квант/Z-бозон, при распаде которого образуется 2 кварка. Далее кварки адронизуются и образуют струи. Впервые такие события (их называют двухструйные события) наблюдались в экспериментах на электрон-позитронном коллайдере SPEAR в лаборатории SLAC (США) в 1975 г.

Вероятность получить определённое состояние со струями при рассеянии протонов можно посчитать используя пертурбативные методы квантовой хромодинамики и функции распределения партонов в протоне. Более точно, можно посчитать сечение рождения двух кварков, например в древесном приближении, тогда импульсы кварков будут соответствовать направлению струй в событии.

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

где $x$, $Q^{2}$ — переменная Фейнмана (доля импульса начального протона, которую несёт партон) и переданный импульс в процессе, соответственно; ${\hat {\sigma }}_{ij\rightarrow q_{1}q_{2}}$ — сечение процесса образования двух кварков $q_{1}$ и $q_{2}$ из начальных партонов $i$ и $j$; $f_{i}^{a}(x,Q^{2})$ — партонное распределение для партона типа $i$ в пучке $a$.

Топ-кварк, самая тяжёлая из известных частиц, в большинстве случаев распадается на три адронные струи, которые обычно направлены в разные стороны.

Фрагментация струи

Из-за эффекта адронизации вылетающий из точки столкновения кварк или глюон (далее будем говорить о партоне) излучает глюоны и кварк-антикварковые пары. Это явление сродни тормозному электромагнитному излучению заряженной частицы, летящей в электромагнитном поле. Хромодинамическое поле создаётся, как другими частицами в точке столкновения, так и излучёнными самим партоном частицами. Особенностью образования струи является обесцвечивание первоначального партона. Так как начальный партон имеет цвет, а струя должна состоять из бесцветных адронов (или продуктов их распадов), нельзя построить изолированный механизм образования струи без учёта взаимодействия с другими частицами в столкновении. Механизм образования струи бесцветных адронов из нескольких цветных партонов, образовавшихся в результате эволюции струи, с учётом компенсации цвета, называют фрагментацией струи.

Ссылки

• М. Пескин и Д. Шредер, «Введение в квантовую теорию поля» (Westview, Boulder, CO, 1995 г. (англ.) или «РХД», 2001 г. (рус.))
• Б. Андерссон, «Лунд модель» (Cambridge University Press, 1998 г.) (англ.)
• Открытие струй: Г. Хансон и др., Подтверждение струйной структуры рождения адронов при e+ e- аннигиляции, Phys.Rev.Lett.35:1609 (1975). (англ.)
• Струнная модель для струй: Б. Андерссон и др., «Фрагментация партонов и струнная динамика», Phys. Rep. 97, 31-145 (1983). (англ.)
• Алгоритмы реконструкции струй: С. Д. Эллис, Д. Е. Соупер, «Алгоритм последовательного комбинирования для струй в адронных столкновений», Phys. Rev. D48, 3160-3166 (1993). (англ.)
• Эффект гашения струй: М. Жюлиасси и др., «Гашение струй и радиационные потери энергии в плотной ядерной материи», в Кварк-глюонная плазма 3 под ред. Р. С. Хва и К.-Н. Ванга (World Scientific, Singapore, 2003). (англ.)
• Лекции по КХД и струям: Г. Стерман, «КХД и струи», препринт YITP-SB-04-59 (2004). (англ.)

Компьютерное моделирование струй

• Монте-Карло генератор Pythia (англ.)
• Монте-Карло генератор Herwig/Herwig++ (англ.)