Un sello distintivo de la gran fuerza del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es la espectacular producción de chorros de partículas colimados cuando los quarks y gluones se dispersan a altas energías. Los físicos de partículas han estudiado los chorros durante décadas para aprender sobre la estructura de la cromodinámica cuántica, o QCD, la teoría de la interacción fuerte, a través de una amplia gama de escalas de energía.

Debido a su ubicuidad, nuestra comprensión de la formación de chorros y la QCD es uno de los factores que puede limitar la comprensión de otras facetas del modelo estándar en el LHC. Al estudiar la rica subestructura de los jets, los físicos pueden recopilar nuevas pistas sobre el comportamiento de la fuerza fuerte a altas energías. Una mejor comprensión de su formación también beneficia a una amplia gama de otros estudios, incluidas las medidas del quark top y del bosón de Higgs.

Subestructura de chorro de precisión

La disección de la subestructura del chorro requiere tanto mediciones experimentales precisas como cálculos teóricos, dos áreas que han avanzado significativamente durante la Prueba 2 del LHC. En el lado experimental, El experimento ATLAS ha desarrollado un nuevo método preciso para reconstruir pistas de partículas cargadas dentro de los chorros. Esto ha sido tradicionalmente bastante desafiante, debido a la alta densidad de partículas dentro del núcleo de los chorros.

Por el lado de la teoría, ha habido un estallido de nuevas técnicas para representar la subestructura del jet, incluyendo nuevas predicciones analíticas de lo que los experimentos deben observar en sus datos. Una nueva idea teórica clave hace uso de algoritmos de agrupamiento para estudiar los componentes de un jet. Los chorros se construyen tomando un conjunto de partículas (experimentalmente, pistas y depósitos de energía calorimétrica) y agruparlos secuencialmente en pares hasta que el área de los candidatos a chorro alcance un tamaño fijo. Los pasos en el historial de agrupamiento de un jet también se pueden recorrer a la inversa, permitiendo que partes del proceso se asocien con varios pasos en la evolución de un jet.

ATLAS Collaboration ha publicado nuevas mediciones utilizando esta novedosa metodología de desagrupamiento. Los físicos pudieron examinar momentos específicos en la evolución de un jet donde un quark o un gluón irradia una fracción significativa de su energía. La masa del chorro en esta etapa es susceptible de predicciones teóricas precisas, como se muestra en la Figura 1.

Lograr este resultado fue un esfuerzo significativo, ya que los físicos de ATLAS primero tenían que tener en cuenta las distorsiones en los datos debido al proceso de medición y estimar la incertidumbre de estas correcciones. Las nuevas predicciones teóricas proporcionaron un modelo excelente de los datos, permitiendo a los físicos realizar una prueba rigurosa de la fuerza fuerte en un régimen que no había sido probado previamente con este nivel de precisión experimental y teórica.

Avión de reacción de Lund

Los físicos también pueden mirar más allá de un solo paso en la historia de la agrupación mediante el estudio de un nuevo observable:el avión a reacción de Lund. Su nombre se deriva de los diagramas de planos de Lund que han sido utilizados por la comunidad QCD durante más de 30 años. después de su introducción en un artículo de autores de la Universidad de Lund (Suecia). En 2018, Los teóricos aplicaron el enfoque a la subestructura del jet por primera vez, Diseñar un avión a reacción Lund para caracterizar la energía relativa y el ángulo de cada paso de desagrupamiento (o emisión) durante la evolución de un avión. A través de su estudio, los físicos pueden investigar las propiedades estadísticas de todos los casos en los que el quark o gluón que inició el chorro irradió una fracción de su energía. Los diferentes efectos físicos se localizan en regiones específicas del plano, de modo que si las predicciones no describen los datos, los físicos pueden identificar la época en la historia de un jet que necesita ser investigada.

ATLAS ha realizado la primera medición del avión a reacción de Lund, que se construye a partir de las energías y los ángulos de cada paso en la evolución de un jet. ATLAS estudió alrededor de 30 millones de chorros para formar el avión que se muestra en la Figura 2. Para este resultado, los físicos utilizaron mediciones de pistas de partículas, ya que proporcionan una excelente resolución angular para reconstruir la radiación que se encuentra en el denso núcleo de los chorros.

La figura usa color para describir el número promedio de emisiones observadas en esa región. La información angular del chorro se describe en el eje horizontal, y su energía por el eje vertical. El número de emisiones es aproximadamente constante en la esquina inferior izquierda (gran angular, fracción de energía grande) y hay una gran supresión de emisiones en la esquina superior derecha (donde el ángulo es casi colineal, fracción de baja energía). La primera de estas observaciones está relacionada con la casi invariancia de escala de la fuerza fuerte, ya que las masas de la mayoría de los quarks son pequeñas en comparación con las energías relevantes en el LHC. La supresión en la esquina superior derecha se debe a la hadronización, el proceso por el cual los quarks forman estados ligados.

Para probar verdaderamente la fuerza fuerte, Los físicos profundizaron en este resultado. La figura 3 muestra un corte horizontal a través del plano, en comparación con las predicciones más modernas basadas en el método de la ducha parton. Las duchas de Parton son simulaciones numéricas que describen el patrón de radiación completo dentro de los chorros, incluyendo el número de partículas en la ducha, sus energías, ángulos y tipo.

Las predicciones de diferentes colores en la Figura 3 cambian un aspecto del modelado físico a la vez. Por ejemplo, los marcadores naranjas muestran una predicción donde la única diferencia entre los marcadores abiertos y cerrados es el modelo utilizado para describir la hadronización. Es emocionante ver que los marcadores naranjas abiertos y cerrados solo difieren en el lado derecho de la trama, que es exactamente donde se espera que se localicen los efectos de hadronización. Lo mismo es cierto para los otros colores, por ejemplo, los marcadores verdes abiertos y cerrados difieren solo en el lado izquierdo del gráfico. Esto demuestra la utilidad de los datos de ATLAS para aprender más sobre las diversas facetas de la fuerza fuerte y mejorar los modelos de ducha parton.

Un campo de exploración en crecimiento

El detector ATLAS altamente granular es ideal para medir subestructura de chorro con gran detalle, y todavía hay mucho que aprender sobre la fuerza fuerte a altas energías. Si bien la extracción de información de manera limpia a partir de las mediciones de la subestructura del jet ha sido históricamente un desafío, Los avances teóricos recientes han dado como resultado una mejor comprensión de los primeros principios que nunca. Esto ha abierto nuevas puertas para poner a prueba QCD con datos ATLAS, que se han puesto a disposición del público, por lo que la comunidad de QCD podrá aprender de estas adiciones al campo creciente de las mediciones de subestructura de chorro de precisión en los próximos años.