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新型强力探测渡部あや器:精密喷气发动机和伦德喷气飞机

物理学 2022-01-25 23:59:11

通过阿特拉斯实验 当夸克或胶子辐射出其能量的很大一部分时,在喷流历史的某一点上,由喷流动量(ρ)归一化的不变质量对数的直方图

确定“重要”的标准是软放弃标准

阿特拉斯数据是黑色的,各种来自最先进的量子色动力学理论的预测用彩色标记显示

信用:阿特拉斯合作/欧洲核子研究中心 大型强子对撞机(LHC)强大力量的一个标志是,当夸克和胶子在高能下散射时,会戏剧性地产生准直粒子射流

粒子物理学家几十年来一直在研究喷流,以了解量子色动力学(QCD,强相互作用的理论)在各种能量尺度下的结构

由于它们无处不在,我们对喷流形成和质量守恒定律的理解是限制对LHC标准模型其他方面理解的因素之一

通过研究喷流丰富的亚结构,物理学家们可以收集到高能强力行为的新线索

对它们的形成有了更深入的了解也有利于其他广泛的研究,包括对顶夸克和希格斯玻色子的测量

精密喷射底座 解剖喷流底层结构需要精确的实验测量和理论计算——这两个领域在LHC的第二次运行中取得了显著进展

在实验方面,阿特拉斯实验开发了一种精确的新方法来重建喷流内部的带电粒子轨迹

由于喷流核心内部的高密度粒子,这在传统上是相当具有挑战性的

在理论方面,出现了一种表示喷流亚结构的新技术,包括对实验数据中应该观察到的东西的新的分析预测

一个关键的新理论想法是利用聚类算法来研究飞机的组成成分

喷流是通过获取一组粒子(实验、轨迹和热量计能量沉积)并成对地依次聚集它们,直到候选喷流的面积达到一个固定的大小

喷气式飞机集群历史中的步骤也可以反过来进行,允许过程的一部分与喷气式飞机进化中的不同步骤相关联

在考虑探测器效应后,相对能量(y轴)和相对角度(x轴)给定箱中的平均发散发射数

信用:阿特拉斯合作/欧洲核子研究中心 阿特拉斯协作发布了使用这种新颖的去聚类方法的新测量

物理学家能够研究喷流演化过程中的特定时刻,此时夸克或胶子辐射出其能量的很大一部分

如图1所示,在这个阶段,喷流的质量服从精确的理论预测

实现这一结果是一项重大的努力,因为ATLAS物理学家首先要解决由于测量过程造成的数据失真,并估计这些校正的不确定性

新的理论预测提供了一个极好的数据模型,允许物理学家在一个以前从未以这种水平的实验和理论精度测试过的范围内对强力进行严格的测试

伦德喷气式飞机 物理学家也可以通过研究一种新的可观测到的现象来超越聚类历史的一步:伦德喷气飞机

它的名字来源于由瑞典隆德大学的作者在一篇论文中介绍的,已经被QCD社区使用了30多年的隆德平面图

2018年,理论家们首次将这种方法应用于喷流子结构,设计了一架隆德喷流飞机,以表征喷流演化过程中每个去聚集步骤(或排放)的相对能量和角度

通过它的研究,物理学家可以研究引发喷流的夸克或胶子辐射其部分能量的所有情况的统计特性

不同的物理效应局限在飞机的特定区域,因此,如果预测不能描述数据,物理学家可以确定需要研究的喷气式飞机历史上的时代

阿特拉斯对伦德喷气式飞机进行了第一次测量,它是根据喷气式飞机发展过程中每一步的能量和角度建立的

阿特拉斯研究了大约3000万架喷气式飞机,形成了图2所示的飞机

为了这个结果,物理学家使用了粒子轨迹的测量,因为它们提供了极好的角度分辨率来重建在密集喷流核心中发现的辐射

该图使用颜色来描述该地区观察到的平均排放量

喷流的角度信息用横轴表示,能量用纵轴表示

左下角的发射数量大致恒定(广角,大能量部分),右上角的发射受到很大抑制(角度几乎共线,低能量部分)

这些观测中的第一个与强力的近尺度不变性有关,因为与LHC的相关能量相比,大多数夸克的质量都很小

右上角的抑制是由于强子化,夸克形成束缚态的过程

为了真正测试这种强大的力量,物理学家对这一结果进行了更深入的研究

图3显示了穿过平面的水平切片,与基于帕顿淋浴方法的最先进的预测进行了比较

帕顿簇射是描述喷流内部全部辐射模式的数值模拟,包括簇射中粒子的数量、它们的能量、角度和类型

图2中的水平切片,包括与QCD预测的比较

信用:阿特拉斯合作/欧洲核子研究中心 图3中不同颜色的预测一次改变了物理模型的一个方面

例如,橙色标记显示了一种预测,其中开放标记和封闭标记之间的唯一区别是用于描述强子化的模型

令人兴奋的是,开放和封闭的橙色标记只在图的右侧有所不同,这正是强子化效应被定位的地方

其他颜色也是如此,例如开放和封闭的绿色标记仅在图的左侧不同

这证明了ATLAS数据对于了解更多关于强力的各个方面和改进帕顿淋浴模型的效用

不断增长的勘探领域 高度颗粒状的ATLAS探测器非常适合于测量非常详细的喷流子结构,对于高能的强力还有很多要了解的

虽然从喷流子结构测量中清晰地提取见解在历史上具有挑战性,但最近的理论进展已经导致了比以往更好的第一性原理理解

这打开了新的大门,用已公开的ATLAS数据对QCD进行测试,因此QCD社区将能够在未来几年从精密喷气发动机子结构测量的不断增长的领域中学习这些新的东西

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