Een kenmerk van de sterke kracht bij de Large Hadron Collider (LHC) is de dramatische productie van gecollimeerde jets van deeltjes wanneer quarks en gluonen met hoge energieën verstrooien. Deeltjesfysici hebben decennialang jets bestudeerd om meer te weten te komen over de structuur van kwantumchromodynamica - of QCD, de theorie van de sterke interactie - over een breed scala van energieschalen.

Door hun alomtegenwoordigheid, ons begrip van jetvorming en QCD is een van de factoren die het begrip van andere facetten van het standaardmodel bij de LHC kunnen beperken. Door de rijke onderbouw van jets te bestuderen, natuurkundigen kunnen nieuwe aanwijzingen verzamelen over het gedrag van de sterke kracht bij hoge energieën. Een beter begrip van hun vorming komt ook een breed scala aan andere onderzoeken ten goede, inclusief metingen van de top-quark en het Higgs-deeltje.

Precisie jet-onderbouw

Het ontleden van de straalsubstructuur vereist zowel nauwkeurige experimentele metingen als theoretische berekeningen - twee gebieden die aanzienlijk zijn verbeterd tijdens Run 2 van de LHC. Aan de experimentele kant, het ATLAS-experiment heeft een nauwkeurige nieuwe methode ontwikkeld voor het reconstrueren van sporen van geladen deeltjes in jets. Dit is van oudsher een behoorlijke uitdaging, vanwege de hoge deeltjesdichtheid in de kern van jets.

Aan de theoretische kant, er is een uitbarsting geweest van nieuwe technieken voor het weergeven van jet-onderbouw, inclusief nieuwe analytische voorspellingen voor wat experimenten zouden moeten observeren in hun gegevens. Een belangrijk nieuw theoretisch idee maakt gebruik van clusteringalgoritmen om de bestanddelen van een jet te bestuderen. Jets worden geconstrueerd door een reeks deeltjes (experimenteel, sporen en calorimeter-energieafzettingen) en deze achtereenvolgens in paren clusteren totdat het gebied van de jetkandidaten een vaste grootte bereikt. De stappen in de clustergeschiedenis van een jet kunnen ook in omgekeerde volgorde worden doorlopen, waardoor delen van het proces kunnen worden geassocieerd met verschillende stappen in de evolutie van een jet.

De ATLAS-samenwerking heeft nieuwe metingen vrijgegeven met behulp van deze nieuwe declusteringsmethodologie. Natuurkundigen waren in staat om specifieke momenten in de evolutie van een jet te onderzoeken waarop een quark of een gluon een aanzienlijk deel van zijn energie uitstraalt. De massa van de jet in dit stadium is vatbaar voor nauwkeurige theoretische voorspellingen, zoals weergegeven in figuur 1.

Het bereiken van dit resultaat was een grote inspanning, aangezien ATLAS-fysici eerst rekening moesten houden met vervormingen in de gegevens als gevolg van het meetproces en de onzekerheid over deze correcties moesten inschatten. De nieuwe theoretische voorspellingen leverden een uitstekend model van de gegevens, waardoor natuurkundigen een strenge test van de sterke kracht konden uitvoeren in een regime dat nog niet eerder was getest met dit niveau van experimentele en theoretische precisie.

Lund straalvliegtuig

Natuurkundigen kunnen ook verder kijken dan een enkele stap in de geschiedenis van clustering door een nieuw waarneembaar object te bestuderen:het Lund-straalvliegtuig. De naam is afgeleid van de Lund-vlakdiagrammen die al meer dan 30 jaar door de QCD-gemeenschap worden gebruikt, na hun introductie in een paper door auteurs van de Universiteit van Lund (Zweden). in 2018, theoretici pasten de benadering voor de eerste keer toe op de onderbouw van jets, het ontwerpen van een Lund-straalvliegtuig om de relatieve energie en hoek van elke declusteringsstap (of emissie) tijdens de evolutie van een jet te karakteriseren. Door zijn studie, natuurkundigen kunnen de statistische eigenschappen onderzoeken van alle gevallen waarin de quark of het gluon die de jet initieerde een fractie van zijn energie uitstraalde. Verschillende fysieke effecten worden gelokaliseerd in specifieke regio's van het vliegtuig, zodat als voorspellingen de gegevens niet beschrijven, natuurkundigen kunnen het tijdperk in de geschiedenis van een jet identificeren dat moet worden onderzocht.

ATLAS heeft de eerste meting van het straalvliegtuig van Lund uitgevoerd, die is opgebouwd uit de energieën en hoeken van elke stap in de evolutie van een jet. ATLAS bestudeerde ongeveer 30 miljoen jets om het in figuur 2 getoonde vlak te vormen. Voor dit resultaat, natuurkundigen gebruikten metingen van deeltjessporen, omdat ze een uitstekende hoekresolutie bieden voor het reconstrueren van straling die wordt aangetroffen in de dichte kern van jets.

De figuur gebruikt kleur om het gemiddelde aantal waargenomen emissies in die regio te beschrijven. De hoekinformatie van de jet wordt beschreven in de horizontale as, en zijn energie door de verticale as. Het aantal emissies is ongeveer constant in de linker benedenhoek (groothoek, grote energiefractie) en er is een grote onderdrukking van emissies in de rechterbovenhoek (waar de hoek bijna collineair is, lage energiefractie). De eerste van deze waarnemingen houdt verband met de bijna schaalinvariantie van de sterke kracht, aangezien de massa's van de meeste quarks klein zijn in vergelijking met de relevante energieën in de LHC. De onderdrukking in de rechterbovenhoek is te wijten aan hadronisatie, het proces waarbij quarks gebonden toestanden vormen.

Om de sterke kracht echt te testen, natuurkundigen gingen dieper in op dit resultaat. Figuur 3 toont een horizontale snede door het vlak, vergeleken met state-of-the-art voorspellingen op basis van de parton shower-methode. Parton-douches zijn numerieke simulaties die het volledige stralingspatroon in jets beschrijven, inclusief het aantal deeltjes in de douche, hun energie, hoeken en typen.

De verschillende gekleurde voorspellingen in figuur 3 veranderen één aspect van de fysica-modellering tegelijk. Bijvoorbeeld, de oranje markeringen tonen één voorspelling waarbij het enige verschil tussen de open en gesloten markeringen het model is dat wordt gebruikt om hadronisatie te beschrijven. Het is spannend om te zien dat de open en gesloten oranje markeringen alleen aan de rechterkant van het perceel verschillen, dat is precies waar hadronisatie-effecten naar verwachting gelokaliseerd zullen zijn. Hetzelfde geldt voor de andere kleuren, de open en gesloten groene markeringen verschillen bijvoorbeeld alleen aan de linkerkant van het perceel. Dit demonstreert het nut van de ATLAS-gegevens om meer te weten te komen over de verschillende facetten van de sterke kracht en om partondouchemodellen te verbeteren.

Een groeiend onderzoeksveld

De zeer granulaire ATLAS-detector is zeer geschikt om de straalsubstructuur tot in detail te meten, en er is nog veel te leren over de sterke kracht bij hoge energieën. Hoewel het in het verleden een uitdaging was om op zuivere wijze inzichten te verkrijgen uit metingen van de jetsubstructuur, recente theoretische vooruitgang heeft geresulteerd in een beter begrip van de eerste beginselen dan ooit tevoren. Dit heeft nieuwe deuren geopend om QCD op de proef te stellen met ATLAS-gegevens, die openbaar zijn gemaakt, dus de QCD-gemeenschap zal de komende jaren kunnen leren van deze toevoegingen aan het groeiende veld van precisie-jet-substructuurmetingen.