En los experimentos con colisionadores de partículas, las interacciones de las partículas elementales con una gran transferencia de cantidad de movimiento producen quarks y gluones (conocidos como partones) cuya evolución se rige por la fuerza fuerte, tal como lo describe la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD) 1 . Estos partones posteriormente emiten más partones en un proceso que puede describirse como una lluvia de partones 2 , que culmina en la formación de hadrones detectables. 

El estudio del patrón de la lluvia de partos es una de las herramientas experimentales clave para probar QCD. Se espera que este patrón dependa de la masa del partón iniciador, a través de un fenómeno conocido como efecto de cono muerto, que predice una supresión del espectro de gluones emitido por un quark pesado de masa m Q y energía E, dentro de un cono de tamaño angular m Q/E alrededor del emisor 3 . Anteriormente, no había sido posible una observación directa del efecto de cono muerto en QCD, debido al desafío de reconstruir los quarks y gluones en cascada a partir de los hadrones accesibles experimentalmente. Presentamos la observación directa del cono muerto QCD mediante el uso de nuevas técnicas iterativas de desagrupamiento 4 , 5 para reconstruir la lluvia de partones de quarks charm. Este resultado confirma una característica fundamental de QCD. Además, la medición de un ángulo de cono muerto constituye una observación experimental directa de la masa distinta de cero del quark charm, que es una constante fundamental en el modelo estándar de la física de partículas.

En los colisionadores de partículas, los quarks y gluones se producen en interacciones de alta energía a través de procesos con gran transferencia de cantidad de movimiento, que son calculables y bien descritos por la cromodinámica cuántica (QCD). Estos partones se someten a emisiones posteriores, lo que da como resultado la producción de más quarks y gluones. Esta evolución se puede describir en el límite colineal mediante un proceso en cascada conocido como lluvia de partones, que transfiere la energía original de los partones a múltiples partículas de menor energía. Esta lluvia luego evoluciona hacia un estado final de múltiples partículas, con los partones combinándose en un rocío de hadrones detectables experimentalmente conocido como jet 6. Se espera que el patrón de la lluvia de partones dependa de la masa del partón emisor, a través de un fenómeno conocido como efecto de cono muerto, por el cual la radiación de un emisor de masa m y energía E se suprime en escalas angulares menores que m / E , relativo a la dirección del emisor. El efecto de cono muerto es una característica fundamental de todas las teorías de campo de calibre (ver ref. 3 para la derivación del cono muerto en QCD).

Se espera que el efecto de cono muerto tenga implicaciones considerables para los quarks encanto y belleza, que tienen masas de 1,28 ± 0,02 GeV/ c 2 y GeV/ c 2 (ref. 1 ) en el esquema de sustracción mínima, respectivamente, a energías en la escala GeV. La probabilidad de emisión en la región colineal, que es el límite divergente de QCD en el que la radiación es más intensa, se suprime al aumentar la masa del quark. Esto conduce a una disminución en el número medio de partículas producidas en la lluvia de partones. La colaboración DELPHI en la LEP e + e −4.18−0.02+0.03″ role=”presentation” style=”box-sizing: inherit; display: inline; line-height: normal; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; padding: 0px; margin: 0px; position: relative;”>4.18+ 0.03− 0,024.18−0.02+0.03colisionador midió la diferencia de multiplicidad entre los eventos que contienen jets iniciados por quarks de belleza pesados ​​y los que contienen quarks ligeros (arriba, abajo o extraño). Descubrieron que las diferencias dependen solo de la masa del quark 7 , que se atribuyó a la supresión de la radiación de gluones colineales del quark pesado debido al efecto de cono muerto. 

La colaboración ATLAS en el CERN 8 también realizó una medición de la densidad de impulso de los componentes del chorro en función de la distancia desde el eje del chorro , que señaló un agotamiento del impulso cerca del eje del chorro que se atribuyó como consecuencia de la muerte. -efecto cono. La masa del quark belleza también se estimó mediante un ajuste fenomenológico a los datos medidos 9. Dado que las emisiones duras (gran momento transversal) se emiten preferentemente en ángulos pequeños y, por lo tanto, se suprimen para los emisores masivos, los quarks pesados ​​​​también retienen una fracción mayor de su momento original en comparación con los quarks más ligeros, lo que lleva a un fenómeno conocido como el efecto de partículas principales. . Esto ha sido bien establecido experimentalmente, con la fracción del momento del chorro transportado por el hadrón principal (momento transversal más alto) que contiene un quark encanto o belleza (hadrón de sabor pesado) en los chorros, alcanzando un máximo de 0,6 a 0,7 y 0,8 a 0,9, respectivamente. , mientras que la fracción correspondiente transportada por el hadrón principal en chorros iniciados por quarks ligeros alcanza su punto máximo en valores más pequeños 10 , 11 , 12 , 13 , 14 .

Hasta ahora, una medición experimental directa del efecto de cono muerto ha estado sujeta a dos desafíos principales. Primero, la región angular del cono muerto puede recibir contribuciones de efectos de hadronización o partículas que no se originan de la radiación de gluones del quark de sabor pesado, como los productos de descomposición de los hadrones de sabor pesado. La segunda dificultad radica en la determinación precisa de la dirección de evolución dinámica del quark de sabor pesado, en relación con la cual se suprime la radiación, a lo largo del proceso de lluvia. El desarrollo de nuevas técnicas experimentales de desagrupamiento 4permite superar estas dificultades mencionadas reconstruyendo la evolución de la lluvia de chorro, dando acceso a las propiedades cinemáticas de cada emisión individual. 

Estas técnicas reorganizan los constituyentes de partículas de un chorro reconstruido experimentalmente, para acceder a los componentes básicos de la ducha y rastrear el proceso de cascada. Los elementos aislados de la lluvia de partones reconstruidos que probablemente no hayan sido modificados por los procesos de hadronización proporcionan un buen indicador de las emisiones reales de quarks y gluones (desdoblamientos). Estas técnicas de reagrupación se han demostrado en chorros inclusivos (sin marcar el sabor del partón iniciador) para reconstruir con éxito las divisiones que están conectadas o que preservan la memoria de las ramificaciones del partón. Esto se demuestra mediante mediciones tales como el balance de momento preparado15 , 16 , 17 , 18 , que prueba la función de división de Dokshitzer-Gribov-Lipatov-Altarelli-Parisi 19 , y el plano de Lund 20 , que expone el funcionamiento del acoplamiento fuerte con la escala de las divisiones. En la ref. 21 .

Las técnicas de reagrupamiento se extienden en este trabajo a jets que contienen un quark charm basado en la prescripción dada en la ref. 22 . Estos chorros están marcados por la presencia de un mesón D 0 reconstruido entre sus constituyentes, que tiene una masa de 1,86 GeV/ c 2 (ref. 1 ) y está compuesto por un quark pesado charm y un quark ligero anti-up. La medición se realiza en colisiones protón-protón con una energía de centro de masa des=13″ role=”presentation” style=”box-sizing: inherit; display: inline; line-height: normal; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; padding: 0px; margin: 0px; position: relative;”>s√= 13s=13 TeV en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), usando el detector ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Se pueden encontrar más detalles del aparato detector y los datos medidos en los Métodos. Como el sabor del quark charm se conserva a través del proceso de ducha, esto brinda la oportunidad de aislar y rastrear la historia de emisión del quark charm. De esta forma, al comparar los patrones de emisión de los quarks charm con los de los quarks light y los gluones, se puede revelar directamente el cono muerto QCD.

El artículo sigue y es bastante valioso del objetivo conseguido que había sido perseguido desde hace bastante tiempo. Esperemos que no sea el último y que pronto localicen el Gravitón.

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Boletín de Noticias de la Real Sociedad Española de Física