Бөлшектер физикасындағы қайнар бұлақтар (Jetter fizikasyndağı qainar bularaqtar)

Кіріспе

Джет – бөлшектер физикасы немесе ауыр иондар экспериментінде кварктар мен глюондардың адронизациясы нәтижесінде туындайтын адрондар мен басқа да бөлшектердің тар конусы. Түсті зарядты тасымалдайтын бөлшектер, яғни кварктар мен глюондар, кванттық хромодинамиканың (QCD) конфайнменті салдарынан бос күйде өмір сүре алмайды, себебі конфайнмент тек түссіз күйлерге ғана рұқсат береді. Протондар жоғары энергияда шағылысқанда, олардың түсті зарядталған компоненттерінің әрқайсысы түстің бір бөлігін алып кетеді. Конфайнментке сәйкес, бұл фрагменттер өздерінің айналасында басқа түсті нысандарды жасайды, түссіз адрондарды құрайды. Бұл нысандардың жиынтығы джет деп аталады, өйткені фрагменттердің барлығы дерлік бір бағытта қозғалып, тар "джет" құрайды. Джеттер бөлшектер детекторларында өлшеніп, бастапқы кварктардың қасиеттерін анықтау үшін зерттеледі. Джеттің анықтамасына джет алгоритмі және рекомбинация схемасы кіреді. Алғашқысы бөлшектер немесе детектор объектілері сияқты кірістердің джеттерге қалай топтастырылатынын анықтайды, ал екіншісі джетке импульс қалай берілетінін көрсетеді. Мысалы, джеттер итермелеу арқылы сипатталуы мүмкін. Джет бағыты (джет осі) итермелеу осі ретінде анықталуы мүмкін. Бөлшектер физикасы эксперименттерінде джеттер әдетте детектор калориметріндегі энергия шоғырларының кластерлерінен құралады. Модельдеу процестерін зерттегенде, калориметрлік джеттер модельделген детектор жауабына сүйене отырып қайта құруға болады. Дегенмен, модельделген үлгілерде джеттер бөлшектеу процестерінен туындаған тұрақты бөлшектерден тікелей қайта құруға да болады. Бөлшек деңгейіндегі джеттер көбінесе "шындық джеттер" деп аталады. Жақсы джет алгоритмі, әдетте, оқиға эволюциясының әртүрлі деңгейлерінде ұқсас джеттер жиынтығын алуға мүмкіндік береді. Типик джет реконструкция алгоритмдері, мысалы, анти-kT алгоритмі, kT алгоритмі, конус алгоритмі. Типик рекомбинация схемасы – E схемасы немесе 4 векторлық схема, онда джеттің 4 векторы оның барлық құрамдас бөліктерінің 4 векторларының қосындысы ретінде анықталады. Релятивистік ауыр ион физикасында джеттер маңызды, өйткені туындаған қатты шашырау соқтығысу кезінде пайда болған QCD материясын зерттеуге мүмкіндік беретін табиғи құрал және оның фазасын көрсетеді. QCD материясы кварк-глюон плазмасына фазалық өту кезінде ортадағы энергия жоғалуы айтарлықтай артады, нәтижесінде шығатын джеттің қарқындылығы төмендейді (сөндіріледі). Джеттерді талдау әдістерінің мысалдары:

A jet is a narrow cone of hadrons and other particles produced by the hadronization of quarks and gluons in a particle physics or heavy ion experiment. Particles carrying a color charge, i. e. quarks and gluons, cannot exist in free form because of quantum chromodynamics (QCD) confinement which only allows for colorless states. When protons collide at high energies, their color charged components each carry away some of the color charge. In accordance with confinement, these fragments create other colored objects around them to form colorless hadrons. The ensemble of these objects is called a jet, since the fragments all tend to travel in the same direction, forming a narrow "jet" of particles. Jets are measured in particle detectors and studied in order to determine the properties of the original quarks. A jet definition includes a jet algorithm and a recombination scheme. The former defines how some inputs, e. g. particles or detector objects, are grouped into jets, while the latter specifies how a momentum is assigned to a jet. For example, jets can be characterized by the thrust. The jet direction (jet axis) can be defined as the thrust axis. In particle physics experiments, jets are usually built from clusters of energy depositions in the detector calorimeter. When studying simulated processes, the calorimeter jets can be reconstructed based on a simulated detector response. However, in simulated samples, jets can also be reconstructed directly from stable particles emerging from fragmentation processes. Particle level jets are often referred to as truth jets. A good jet algorithm usually allows for obtaining similar sets of jets at different levels in the event evolution. Typical jet reconstruction algorithms are, e. g., the anti kT algorithm, kT algorithm, cone algorithm. A typical recombination scheme is the E scheme, or 4 vector scheme, in which the 4 vector of a jet is defined as the sum of 4 vectors of all its constituents. In relativistic heavy ion physics, jets are important because the originating hard scattering is a natural probe for the QCD matter created in the collision, and indicate its phase. When the QCD matter undergoes a phase crossover into quark gluon plasma, the energy loss in the medium grows significantly, effectively quenching (reducing the intensity of) the outgoing jet. Example of jet analysis techniques are:

Джет корреляциясы
Дәмдік белгілеу (мысалы, b белгілеу)
Джет субструктурасы. Лундтың тізбектік моделі – джет бөлшектеу моделінің мысалы.

Жарық бөлшектеу

Қиындықты тудырушы QCD есептеулерінде соңғы күйде түсті партондар болуы мүмкін, бірақ тәжірибеде тек түссүз адрондар ғана байқалады. Осылайша, детекторда белгілі бір процесс нәтижесінде байқалатынды сипаттау үшін, барлық шығыс түсті партондар алдымен партонды шашыратудан өтуі керек, содан кейін пайда болған партондардың адрондарға бірігуі қажет. Фрагментация және адрондау терминдері әдебиетте жиі бір-бірін алмастыра отырып, жұмсақ QCD сәулеленуін, адронның пайда болуын немесе екі процесті де бірге сипаттау үшін қолданылады. Қатты шашыраңқыда пайда болған партон өзара әрекеттесуден шығар кезде, оның қашықтығына байланысты күшті байланыс константасы артады. Бұл негізінен бастапқы партонға қатысты көлбеу бұрышпен QCD сәулеленуінің ықтималдығын арттырады. Осылайша, бір партон глюондарды сәулелендіреді, ал олар өз кезегінде жұптар және т.б. сәулелендіреді, әр жаңа партон өзінің ата-анасымен дерлік коллинеар болады. Бұл спинорларды фрагментация функцияларымен конволюциялау арқылы сипатталуы мүмкін, партон тығыздығы функцияларының эволюциясына ұқсас. Бұл lt=Dokshitzer Gribov Lipatov Altarelli Parisi (DGLAP) типіндегі теңдеумен сипатталады.

Партонды шашырату тізбектей төмендейтін энергиялы партондарды жасайды, сондықтан ол қоздырғыштық QCD үшін жарамдылық аймағынан шығуы керек. Содан кейін шашыраудың қанша уақытқа созылатынын сипаттау үшін феноменологиялық модельдер қолданылуы керек, содан кейін түсті партондардың түссүз адрондардың байланысқан күйлеріне бірігуі, бұл процестің өзі қоздырғыштық емес. Мысал ретінде, көптеген заманауи оқиға генераторларында қолданылатын Лундтың тізбекті моделін келтіруге болады.

Инфрақызыл және коллинейлік қауіпсіздік

Жарқын алгоритм егер оқиғаға жұмсақ сәулелену қосылғанда да сол жарулар жиынтығын берсе, инфрақызыл қауіпсіз деп есептеледі. Сол сияқты, реактивті алгоритм егер кіріс шамаларының біреуіне колинеарлық бөліну енгізілгеннен кейін соңғы реактивтер жиынтығы өзгермесе, колинеарлық қауіпсіз болады. Жарқын алгоритмнің осы екі талапты орындауының бірнеше себебі бар. Эксперименттік тұрғыдан алғанда, жарулар бастапқы кварк туралы ақпаратты жеткізсе пайдалы. Кварк пайда болғанда, ол партонды себуге ұшырайды деп күтіледі, бұл адронизация басталғанға дейін дерлік колинеарлық бөлінулер тізбегін қамтуы мүмкін. Сонымен қатар, реактивті алгоритм детектор жауабының ауытқуларына төзімді болуы керек. Теориялық тұрғыдан алғанда, егер реактивті алгоритм инфрақызыл және колинеарлық қауіпсіз болмаса, кез келген тәртіптегі бұзылыс теориясында шекті қиманың алынуына кепілдік берілмейді.