Un segno distintivo della forza forte al Large Hadron Collider (LHC) è la drammatica produzione di getti di particelle collimati quando quark e gluoni si disperdono ad alte energie. I fisici delle particelle hanno studiato per decenni i getti per conoscere la struttura della cromodinamica quantistica, o QCD, la teoria dell'interazione forte, attraverso un'ampia gamma di scale energetiche.

A causa della loro ubiquità, la nostra comprensione della formazione dei getti e della QCD è uno dei fattori che possono limitare la comprensione di altri aspetti del Modello Standard all'LHC. Studiando la ricca sottostruttura dei getti, i fisici possono raccogliere nuovi indizi sul comportamento della forza forte alle alte energie. Una migliore comprensione della loro formazione avvantaggia anche una vasta gamma di altri studi, comprese le misurazioni del quark top e del bosone di Higgs.

Sottostruttura a getto di precisione

La dissezione della sottostruttura del jet richiede sia misurazioni sperimentali precise che calcoli teorici, due aree che sono avanzate in modo significativo durante la seconda corsa dell'LHC. Sul versante sperimentale, l'esperimento ATLAS ha sviluppato un nuovo metodo accurato per ricostruire le tracce di particelle cariche all'interno dei getti. Questo è stato tradizionalmente piuttosto impegnativo, a causa dell'elevata densità di particelle all'interno del nucleo dei getti.

Dal lato della teoria, c'è stata un'esplosione di nuove tecniche per rappresentare la sottostruttura del jet, includendo nuove previsioni analitiche per ciò che gli esperimenti dovrebbero osservare nei loro dati. Una nuova idea teorica chiave fa uso di algoritmi di clustering per studiare i costituenti di un jet. I getti sono costruiti prendendo un insieme di particelle (sperimentalmente, tracce e depositi di energia calorimetrica) e raggruppandoli sequenzialmente in coppie fino a quando l'area dei candidati getti raggiunge una dimensione fissa. I passaggi nella cronologia di raggruppamento di un jet possono anche essere attraversati al contrario, consentendo a parti del processo di essere associate a varie fasi dell'evoluzione di un getto.

La collaborazione ATLAS ha rilasciato nuove misurazioni utilizzando questa nuova metodologia di declustering. I fisici sono stati in grado di esaminare momenti specifici nell'evoluzione di un getto in cui un quark o un gluone irradiano una frazione significativa della sua energia. La massa del getto in questa fase è suscettibile di precise previsioni teoriche, come mostrato in Figura 1.

Raggiungere questo risultato è stato uno sforzo significativo, poiché i fisici di ATLAS dovevano prima tenere conto delle distorsioni nei dati dovute al processo di misurazione e stimare l'incertezza su queste correzioni. Le nuove previsioni teoriche hanno fornito un eccellente modello dei dati, consentendo ai fisici di eseguire un test rigoroso della forza forte in un regime che non era stato precedentemente testato con questo livello di precisione sperimentale e teorica.

Aereo a reazione Lund

I fisici possono anche guardare oltre un singolo passo nella storia del clustering studiando un nuovo osservabile:l'aereo a reazione di Lund. Il suo nome deriva dai diagrammi piani di Lund che sono stati utilizzati dalla comunità QCD per oltre 30 anni, dopo la loro introduzione in un articolo di autori dell'Università di Lund (Svezia). Nel 2018, i teorici hanno applicato per la prima volta l'approccio alla sottostruttura del jet, progettare un aereo a getto di Lund per caratterizzare l'energia relativa e l'angolo di ogni fase di declustering (o emissione) durante l'evoluzione di un getto. Attraverso il suo studio, i fisici possono investigare le proprietà statistiche di tutti i casi in cui il quark o il gluone che ha avviato il getto ha irradiato una frazione della sua energia. Diversi effetti fisici si localizzano in regioni specifiche del piano, in modo che se le previsioni non descrivono i dati, i fisici possono identificare l'epoca nella storia di un jet che deve essere investigata.

ATLAS ha eseguito la prima misurazione del jet di Lund, che è costruito dalle energie e dagli angoli di ogni passo nell'evoluzione di un jet. ATLAS ha studiato circa 30 milioni di getti per formare l'aereo mostrato in Figura 2. Per questo risultato, i fisici usavano misurazioni di tracce di particelle, in quanto forniscono un'eccellente risoluzione angolare per ricostruire la radiazione trovata nel nucleo denso dei getti.

La figura utilizza il colore per descrivere il numero medio di emissioni osservate in quella regione. L'informazione angolare del getto è descritta nell'asse orizzontale, e la sua energia per l'asse verticale. Il numero di emissioni è approssimativamente costante nell'angolo in basso a sinistra (grandangolo, grande frazione di energia) e c'è una grande soppressione delle emissioni nell'angolo in alto a destra (dove l'angolo è quasi collineare, frazione a bassa energia). La prima di queste osservazioni è relativa alla quasi invarianza di scala della forza forte, poiché le masse della maggior parte dei quark sono minuscole rispetto alle energie rilevanti a LHC. La soppressione nell'angolo in alto a destra è dovuta all'aronizzazione, il processo mediante il quale i quark formano stati legati.

Per testare veramente la forza forte, i fisici hanno approfondito questo risultato. La figura 3 mostra una fetta orizzontale attraverso il piano, rispetto alle previsioni all'avanguardia basate sul metodo della doccia parton. Le docce Parton sono simulazioni numeriche che descrivono l'intero diagramma di radiazione all'interno dei getti, compreso il numero di particelle nella doccia, le loro energie, angoli e tipo.

Le diverse previsioni colorate nella Figura 3 cambiano un aspetto della modellazione fisica alla volta. Per esempio, i marcatori arancioni mostrano una previsione in cui l'unica differenza tra i marcatori aperti e chiusi è il modello utilizzato per descrivere l'aronizzazione. È emozionante vedere che i marcatori arancioni aperti e chiusi differiscono solo sul lato destro della trama, che è esattamente dove dovrebbero essere localizzati gli effetti di adronizzazione. Lo stesso vale per gli altri colori, ad esempio i marker verdi aperti e chiusi differiscono solo sul lato sinistro del grafico. Ciò dimostra l'utilità dei dati ATLAS per saperne di più sui vari aspetti della forza forte e migliorare i modelli di doccia parton.

Un campo di esplorazione in crescita

Il rivelatore ATLAS altamente granulare è adatto per misurare la sottostruttura del getto in grande dettaglio, e c'è ancora molto da imparare sulla forte forza alle alte energie. Sebbene estrarre informazioni in modo pulito dalle misurazioni della sottostruttura del getto sia stato storicamente difficile, i recenti progressi teorici hanno portato a una migliore comprensione dei principi primi che mai. Questo ha aperto nuove porte per mettere alla prova QCD con i dati ATLAS, che sono stati resi pubblici, quindi la comunità QCD sarà in grado di imparare da queste aggiunte al crescente campo delle misurazioni di sottostrutture di precisione a getto per gli anni a venire.