Струи в физике высоких энергий: образование, реконструкция и применение.

Введение

Джет – узкий конус адронов и других частиц, образующийся при адронизации кварков и глюонов в экспериментах по физике частиц или с тяжелыми ионами. Частицы, несущие цветовой заряд, то есть кварки и глюоны, не могут существовать в свободном состоянии из-за конфайнмента квантовой хромодинамики (QCD), который допускает существование только бесцветных состояний. При столкновении протонов на высоких энергиях, каждый из их компонентов, несущих цветовой заряд, уносит часть этого заряда. В соответствии с принципом конфайнмента, эти фрагменты создают вокруг себя другие цветные объекты для формирования бесцветных адронов. Совокупность этих объектов называется джетом, поскольку все фрагменты, как правило, движутся в одном направлении, формируя узкий "струй" частиц. Джеты измеряются в детекторах частиц и изучаются для определения свойств исходных кварков. Определение джета включает в себя алгоритм построения джетов и схему рекомбинации. Первый определяет, как некоторые входные данные, например, частицы или объекты детектора, группируются в джеты, а второй – как присваивается импульс джету. Например, джеты можно характеризовать величиной тяги. Направление джета (ось джета) может быть определено как ось тяги. В экспериментах по физике частиц джеты обычно строятся из кластеров отложений энергии в калориметре детектора. При изучении смоделированных процессов, калориметрические джеты могут быть реконструированы на основе смоделированного ответа детектора. Однако в смоделированных выборках джеты также могут быть реконструированы непосредственно из стабильных частиц, возникающих в процессах фрагментации. Джеты на уровне частиц часто называют истинными джетами. Хороший алгоритм построения джетов обычно позволяет получать схожие наборы джетов на разных этапах эволюции события. Типичные алгоритмы реконструкции джетов включают, например, алгоритм anti-kT, алгоритм kT и конусный алгоритм. Типичной схемой рекомбинации является E-схема или схема 4-векторов, в которой 4-вектор джета определяется как сумма 4-векторов всех его составляющих. В релятивистской физике тяжелых ионов джеты важны, поскольку исходное жесткое рассеяние является естественным зондом для QCD-материи, созданной при столкновении, и указывает на ее фазу. Когда QCD-материя претерпевает фазовый переход в кварк-глюонную плазму, потеря энергии в среде значительно возрастает, эффективно подавляя (уменьшая интенсивность) выходящего джета. Примеры методов анализа джетов:

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:

корреляция джетов,
идентификация аромата (например, b-тегирование),
подструктура джетов. Модель струн Лунда является примером модели фрагментации джетов.

Фрагментация струи

В расчетах КХД с возмущениями в конечном состоянии могут присутствовать цветные партоны, но экспериментально наблюдаются только бесцветные адроны, которые в конечном итоге образуются. Таким образом, для описания того, что наблюдается в детекторе в результате данного процесса, все выходящие цветные партоны должны сначала пройти партонный каскад, а затем объединиться в адроны. Термины "фрагментация" и "адронизация" часто используются как взаимозаменяемые в литературе для описания мягкого КХД-излучения, образования адронов или обоих процессов вместе. По мере удаления партона, образованного в жестком рассеянии, от точки взаимодействия, константа сильного взаимодействия увеличивается с расстоянием. Это повышает вероятность КХД-излучения, которое преимущественно имеет малый угол по отношению к родителю-партону. Таким образом, один партон излучает глюоны, которые, в свою очередь, излучают пары кварк-антикварк и так далее, причем каждый новый партон почти коллинеарен своему родителю. Это можно описать сверткой спиноров с функциями фрагментации, аналогично эволюции функций плотности партонов. Это описывается уравнением типа DGLAP (Докшицера-Грибова-Липатова-Альтарелли-Паризи).

Партонный каскад производит партоны последовательно уменьшающейся энергии и, следовательно, выходит за пределы области применимости возмутительной КХД. Для описания длительности каскада и последующего объединения цветных партонов в связанные состояния бесцветных адронов, что по своей природе не является возмутительным, необходимо использовать феноменологические модели. Одним из примеров является модель Lund String, реализованная во многих современных генераторах событий.

Инфракрасная и коллинеарная безопасность

Алгоритм формирования джетов является инфракрасно безопасным, если он выдает один и тот же набор джетов после модификации события с добавлением мягкого излучения. Аналогично, алгоритм формирования джетов является коллинеарно безопасным, если финальный набор джетов не изменяется после введения коллинеарного расщепления одного из входных параметров. Существует несколько причин, по которым алгоритм формирования джетов должен удовлетворять этим двум требованиям. Экспериментально, джеты полезны, если они несут информацию о рождающемся партоне. При образовании рождающийся партон, как ожидается, проходит через партонный каскад, который может включать в себя серию почти коллинеарных расщеплений перед адронизацией. Кроме того, алгоритм формирования джетов должен быть устойчив к флуктуациям в отклике детектора. Теоретически, если алгоритм формирования джетов не является инфракрасно и коллинеарно безопасным, то нельзя гарантировать, что конечное сечение будет конечным при любом порядке теории возмущений.