Chorro (física de partículas)

Un jet es un cono estrecho de hadrones y otras partículas producidas por la hadronización de quarks y gluones en un experimento de física de partículas o de iones pesados. Las partículas con carga de color, es decir, los quarks y los gluones, no pueden existir en forma libre debido al confinamiento de la cromodinámica cuántica (QCD) , que solo permite estados incoloros. Cuando los protones colisionan a altas energías, sus componentes con carga de color se llevan consigo parte de dicha carga. De acuerdo con el confinamiento, estos fragmentos crean otros objetos coloreados a su alrededor para formar hadrones incoloros. El conjunto de estos objetos se denomina jet, ya que los fragmentos tienden a viajar en la misma dirección, formando un estrecho "jet" de partículas. Los jets se miden en detectores de partículas y se estudian para determinar las propiedades de los quarks originales.

Una definición de jet incluye un algoritmo de jet y un esquema de recombinación. ^{[ 1 ]} El primero define cómo algunas entradas, p. ej. partículas u objetos del detector, se agrupan en jets, mientras que el segundo especifica cómo se asigna un momento a un jet. Por ejemplo, los jets pueden caracterizarse por el empuje . La dirección del jet (eje del jet) puede definirse como el eje de empuje . En experimentos de física de partículas, los jets generalmente se construyen a partir de cúmulos de depósitos de energía en el calorímetro del detector . Al estudiar procesos simulados, los jets del calorímetro pueden reconstruirse basándose en una respuesta simulada del detector. Sin embargo, en muestras simuladas, los jets también pueden reconstruirse directamente a partir de partículas estables que emergen de procesos de fragmentación. Los jets a nivel de partícula a menudo se denominan jets de verdad. Un buen algoritmo de jet generalmente permite obtener conjuntos similares de jets en diferentes niveles en la evolución del evento. Los algoritmos típicos de reconstrucción de jets son, p. ej., el algoritmo anti- _kT , el algoritmo kT , _el algoritmo de cono. Un esquema de recombinación típico es el esquema E, o esquema de 4 vectores, en el que el 4-vector de un jet se define como la suma de los 4-vectores de todos sus constituyentes.

En la física de iones pesados ​​relativistas, los chorros son importantes porque la dispersión dura que los origina es una sonda natural para la materia QCD creada en la colisión e indica su fase. Cuando la materia QCD experimenta una transición de fase hacia un plasma de quarks y gluones , la pérdida de energía en el medio aumenta significativamente, lo que efectivamente suprime (reduce la intensidad de) el chorro saliente.

Ejemplos de técnicas de análisis de chorros son:

• correlación de chorro
• Etiquetado de sabores (por ejemplo, etiquetado b )
• subestructura del chorro.

El modelo de cuerdas de Lund es un ejemplo de modelo de fragmentación de chorros.

Los chorros de partículas se producen en los procesos de dispersión dura de la cromodinámica cuántica (QCD), creando quarks o gluones de alto momento transversal, o denominados colectivamente partones en el modelo partónico.

La probabilidad de crear un conjunto determinado de chorros se describe mediante la sección eficaz de producción de chorros, que es un promedio de los procesos elementales perturbativos de quarks, antiquarks y gluones de QCD, ponderados por las funciones de distribución de partones . Para el proceso de producción de pares de chorros más frecuente, la dispersión de dos partículas, la sección eficaz de producción de chorros en una colisión hadrónica viene dada por

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

con

• x , Q2 : fracción de momento longitudinal y transferencia de ^momento
• ${\displaystyle {\hat {\sigma }}_{ij\rightarrow k}}$: sección transversal de QCD perturbativa para la reacción ij  → k 
• ${\displaystyle f_{i}^{a}(x,Q^{2})}$: función de distribución de partones para encontrar la especie de partícula i en el haz a .

Secciones transversales elementales${\displaystyle {\sombrero {\sigma }}}$se calculan, por ejemplo, hasta el orden principal de la teoría de perturbaciones en Peskin y Schroeder (1995), sección 17.4. Una revisión de varias parametrizaciones de funciones de distribución de partones y el cálculo en el contexto de generadores de eventos de Monte Carlo se discute en T. Sjöstrand et al. (2003), sección 7.4.1.

Los cálculos de QCD perturbativa pueden incluir partones coloreados en el estado final, pero solo se observan experimentalmente los hadrones incoloros que se producen. Por lo tanto, para describir lo que se observa en un detector como resultado de un proceso dado, todos los partones coloreados salientes deben primero experimentar una cascada de partones y luego combinarse para formar hadrones. Los términos fragmentación y hadronización se utilizan a menudo indistintamente en la literatura para describir la radiación QCD suave, la formación de hadrones o ambos procesos en conjunto.

Cuando el partón producido en una dispersión dura abandona la interacción, la constante de acoplamiento fuerte aumenta con su separación. Esto incrementa la probabilidad de radiación QCD, que es predominantemente de ángulo pequeño con respecto al partón progenitor. De este modo, un partón emitirá gluones, que a su vez emitirán pares q q, y así sucesivamente, con cada nuevo partón casi colineal con su progenitor. Esto puede describirse mediante la convolución de los espinores con funciones de fragmentación.${\displaystyle P_{ji}\!\left({\frac {x}{z}},Q^{2}\right)}$, de manera similar a la evolución de las funciones de densidad de parton. Esto se describe mediante una ecuación tipo Dokshitzer - Gribov - Lipatov - Altarelli - Parisi ( DGLAP )

${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial \ln Q^{2}}}D_{i}^{h}(x,Q^{2})=\sum _{j}\int _{x}^{1}{\frac {dz}{z}}{\frac {\alpha _{S}}{4\pi }}P_{ji}\!\left({\frac {x}{z}},Q^{2}\right)D_{j}^{h}(z,Q^{2})}$

La cascada de partones produce partones de energía sucesivamente menor, por lo que debe salir de la región de validez de la QCD perturbativa. Se deben aplicar modelos fenomenológicos para describir la duración de la cascada y la combinación de partones coloreados en estados ligados de hadrones incoloros, un proceso inherentemente no perturbativo. Un ejemplo es el Modelo de Cuerdas de Lund, implementado en muchos generadores de eventos modernos .

Un algoritmo de chorros es seguro en el infrarrojo si produce el mismo conjunto de chorros después de modificar un evento para agregar radiación suave. De manera similar, un algoritmo de chorros es seguro en colinealidad si el conjunto final de chorros no cambia después de introducir una división colineal de una de las entradas. Hay varias razones por las que un algoritmo de chorros debe cumplir estos dos requisitos. Experimentalmente, los chorros son útiles si contienen información sobre el partón semilla. Cuando se produce, se espera que el partón semilla experimente una cascada de partones, que puede incluir una serie de divisiones casi colineales antes de que comience la hadronización. Además, el algoritmo de chorros debe ser robusto en lo que respecta a fluctuaciones en la respuesta del detector. Teóricamente, si un algoritmo de chorros no es seguro en el infrarrojo y en colinealidad, no se puede garantizar que se pueda obtener una sección transversal finita en cualquier orden de la teoría de perturbaciones.

• Evento Dijet

• Andersson, B.; Gustafson, G.; Ingelman, G.; Sjöstrand, T. (1983). "Fragmentación de partones y dinámica de cuerdas". Physics Reports . 97 ( 2– 3): 31– 145. Bibcode : 1983PhR....97...31A . doi : 10.1016/0370-1573(83)90080-7 . ISSN 0370-1573 . 
• Ellis, Stephen D.; Soper, Davison E. (1993-10-01). "Algoritmo de chorro de combinación sucesiva para colisiones de hadrones". Physical Review D . 48 (7): 3160– 3166. arXiv : hep-ph/9305266 . Bibcode : 1993PhRvD..48.3160E . doi : 10.1103/physrevd.48.3160 ​​. ISSN 0556-2821 . PMID 10016571 . S2CID 2667115 .   
• Gyulassy, ​​Miklos; Vitev, Ivan; Wang, Xin-Nian; Zhang, Ben-Wei (2004). "Extinción de chorros y pérdida de energía radiativa en materia nuclear densa". Quark–Gluon Plasma 3. págs. 123–191 . arXiv : nucl-th/0302077 . doi : 10.1142/9789812795533_0003 . ISBN  978-981-238-077-7.
• JE Huth et al. , en EL Berger (ed.), Actas de Research Directions For The Decade: Snowmass 1990 , (World Scientific, Singapur, 1992), 134. (Preimpresión en el servidor de la biblioteca de Fermilab)
• ME Peskin, DV Schroeder, "Una introducción a la teoría cuántica de campos" (Westview, Boulder, CO, 1995) .
• Sjöstrand, Torbjörn; Lönnblad, Leif; Mrenna, Stephen; Skands, Peter (2003). "PYTHIA 6.3 Física y Manual". arXiv : hep-ph/0308153 .
• Sterman, George (2004). "QCD y Jets". arXiv : hep-ph/0412013 .

• El generador de eventos Pythia/Jetset Monte Carlo
• El programa de agrupamiento de aviones FastJet