Un quark charm (c) en una lluvia de partones pierde energía emitiendo radiación en forma de gluones (g). La lluvia muestra un cono muerto de radiación suprimida alrededor del quark para ángulos más pequeños que la relación entre la masa (m) y la energía (E) del quark. La energía disminuye en cada etapa de la ducha. Crédito:CERN
La colaboración ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) ha realizado la primera observación directa del efecto de cono muerto, una característica fundamental de la teoría de la fuerza fuerte que une a los quarks y gluones en protones, neutrones y, en última instancia, todos los átomos. núcleos Además de confirmar este efecto, la observación, reportada en un artículo publicado hoy en Nature , proporciona acceso experimental directo a la masa de un solo quark charm antes de que se confine dentro de los hadrones.
"Ha sido muy desafiante observar el cono muerto directamente", dice el portavoz de ALICE, Luciano Musa. "Pero, mediante el uso de datos de tres años de colisiones protón-protón en el LHC y técnicas sofisticadas de análisis de datos, finalmente hemos podido descubrirlo".
Los quarks y gluones, denominados colectivamente partones, se producen en colisiones de partículas como las que tienen lugar en el LHC. Después de su creación, los partones se someten a una cascada de eventos llamada lluvia de partones, por lo que pierden energía al emitir radiación en forma de gluones, que también emiten gluones. El patrón de radiación de esta lluvia depende de la masa del partón emisor de gluones y muestra una región alrededor de la dirección de vuelo del partón donde se suprime la emisión de gluones:el cono muerto.
Predicho hace treinta años a partir de los primeros principios de la teoría de la fuerza fuerte, el cono muerto se ha observado indirectamente en los colisionadores de partículas. Sin embargo, sigue siendo un desafío observarlo directamente desde el patrón de radiación de la lluvia de partos. Las razones principales de esto son que el cono muerto se puede llenar con las partículas en las que se transforma el partón emisor y que es difícil determinar la dirección cambiante del partón a lo largo del proceso de ducha.
A medida que avanza la lluvia de partones, los gluones se emiten en ángulos más pequeños y la energía del quark disminuye, lo que da como resultado conos muertos más grandes de emisión de gluones suprimida. Crédito:CERN
La colaboración ALICE superó estos desafíos aplicando técnicas de análisis de última generación a una gran muestra de colisiones protón-protón en el LHC. Estas técnicas pueden hacer retroceder la ducha de partones en el tiempo desde sus productos finales:las señales dejadas en el detector ALICE por un rocío de partículas conocido como chorro. Al buscar chorros que incluían una partícula que contenía un quark charm, los investigadores pudieron identificar un chorro creado por este tipo de quark y rastrear toda la historia de emisiones de gluones del quark. Una comparación entre el patrón de emisión de gluones del quark charm con el de los gluones y los quarks prácticamente sin masa reveló un cono muerto en el patrón del quark charm.
El resultado también expone directamente la masa del quark charm, ya que la teoría predice que las partículas sin masa no tienen conos muertos correspondientes.
"Las masas de los quarks son cantidades fundamentales en la física de partículas, pero no se puede acceder a ellas ni medirlas directamente en experimentos porque, con la excepción del quark top, los quarks están confinados dentro de partículas compuestas", explica Andrea Dainese, coordinadora de física de ALICE. "Nuestra técnica exitosa para observar directamente el cono muerto de una lluvia de partones puede ofrecer una forma de medir las masas de los quarks". Nuevos conocimientos sobre la estructura interna del protón
