Un quark charm (c) in una pioggia di partoni perde energia emettendo radiazioni sotto forma di gluoni (g). La doccia mostra un cono morto di radiazione soppressa attorno al quark per angoli inferiori al rapporto tra la massa del quark (m) e l'energia (E). L'energia diminuisce in ogni fase della doccia. Credito:CERN
La collaborazione ALICE al Large Hadron Collider (LHC) ha realizzato la prima osservazione diretta dell'effetto dead-cone, una caratteristica fondamentale della teoria della forza forte che lega quark e gluoni insieme in protoni, neutroni e, in definitiva, tutti gli atomi atomici. nuclei. Oltre a confermare questo effetto, l'osservazione, riportata in un articolo pubblicato oggi su Nature , fornisce un accesso sperimentale diretto alla massa di un singolo quark charm prima che sia confinato all'interno degli adroni.
"È stato molto difficile osservare direttamente il cono morto", afferma il portavoce di ALICE Luciano Musa. "Ma, utilizzando tre anni di dati dalle collisioni protone-protone all'LHC e sofisticate tecniche di analisi dei dati, siamo finalmente stati in grado di scoprirlo."
Quark e gluoni, chiamati collettivamente parton, sono prodotti in collisioni di particelle come quelle che hanno luogo all'LHC. Dopo la loro creazione, i parton subiscono una cascata di eventi chiamata parton shower, per cui perdono energia emettendo radiazioni sotto forma di gluoni, che emettono anche gluoni. Il diagramma di radiazione di questa pioggia dipende dalla massa del partone che emette gluoni e mostra una regione intorno alla direzione di volo del partone in cui viene soppressa l'emissione di gluoni:il cono morto.
Previsto trent'anni fa dai primi principi della teoria della forza forte, il cono morto è stato osservato indirettamente nei collisori di particelle. Tuttavia, è rimasto difficile osservarlo direttamente dal diagramma di radiazione della doccia di parton. Le ragioni principali di ciò sono che il cono morto può essere riempito con le particelle in cui si trasforma il partone emittente e che è difficile determinare il cambiamento di direzione del partone durante il processo di doccia.
Man mano che la pioggia di partoni procede, i gluoni vengono emessi ad angoli più piccoli e l'energia del quark diminuisce, risultando in coni morti più grandi di emissione di gluoni soppressa. Credito:CERN
La collaborazione ALICE ha superato queste sfide applicando tecniche di analisi all'avanguardia a un ampio campione di collisioni protone-protone all'LHC. Queste tecniche possono far tornare indietro nel tempo la doccia del parton dai suoi prodotti finali, i segnali lasciati nel rilevatore ALICE da uno spruzzo di particelle noto come getto. Cercando getti che includessero una particella contenente un quark charm, i ricercatori sono stati in grado di identificare un getto creato da questo tipo di quark e ripercorrere l'intera storia delle emissioni di gluoni del quark. Un confronto tra il pattern di emissione di gluoni del quark charm con quello dei gluoni e dei quark praticamente privi di massa ha poi rivelato un cono morto nel pattern del quark charm.
Il risultato espone anche direttamente la massa del quark charm, poiché la teoria prevede che le particelle prive di massa non abbiano coni morti corrispondenti.
"Le masse dei quark sono quantità fondamentali nella fisica delle particelle, ma non è possibile accedervi e misurarle direttamente negli esperimenti perché, ad eccezione del quark top, i quark sono confinati all'interno di particelle composite", spiega il coordinatore della fisica di ALICE Andrea Dainese. "La nostra tecnica di successo per osservare direttamente il cono morto di una doccia di parton può offrire un modo per misurare le masse di quark". + Esplora ulteriormente
