Un histogramme du logarithme de la masse invariante normalisé par la quantité de mouvement du jet (ρ) au moment de l'histoire du jet où un quark ou un gluon a rayonné une fraction significative de son énergie. La métrique pour déterminer « significatif » est le critère de la baisse en douceur. Les données ATLAS sont en noir et diverses prédictions de la théorie QCD de pointe sont affichées dans des marqueurs de couleur. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
L'une des caractéristiques de la force puissante du Grand collisionneur de hadrons (LHC) est la production spectaculaire de jets de particules collimatés lorsque les quarks et les gluons se diffusent à haute énergie. Les physiciens des particules ont étudié les jets pendant des décennies pour en savoir plus sur la structure de la chromodynamique quantique - ou QCD, la théorie de l'interaction forte - à travers une large gamme d'échelles d'énergie.
En raison de leur ubiquité, notre compréhension de la formation des jets et de la CDQ est l'un des facteurs qui peuvent limiter la compréhension des autres facettes du modèle standard au LHC. En étudiant la riche sous-structure des jets, les physiciens peuvent recueillir de nouveaux indices sur le comportement de la force forte aux hautes énergies. Une meilleure compréhension de leur formation profite également à un large éventail d'autres études, y compris les mesures du quark top et du boson de Higgs.
Sous-structure de jet de précision
La dissection de la sous-structure du jet nécessite à la fois des mesures expérimentales précises et des calculs théoriques, deux domaines qui ont considérablement progressé au cours de la deuxième phase du LHC. Côté expérimental, l'expérience ATLAS a mis au point une nouvelle méthode précise pour reconstruire les traces de particules chargées à l'intérieur des jets. Cela a toujours été assez difficile, en raison de la forte densité de particules à l'intérieur du noyau des jets.
Côté théorie, il y a eu une explosion de nouvelles techniques pour représenter la sous-structure du jet, y compris de nouvelles prédictions analytiques sur ce que les expériences devraient observer dans leurs données. Une nouvelle idée théorique clé utilise des algorithmes de clustering pour étudier les constituants d'un jet. Les jets sont construits en prenant un ensemble de particules (expérimentalement, pistes et dépôts d'énergie calorimétrique) et les regrouper séquentiellement par paires jusqu'à ce que la zone des candidats jets atteigne une taille fixe. Les étapes de l'historique de regroupement d'un jet peuvent également être parcourues en sens inverse, permettant d'associer des parties du processus à différentes étapes de l'évolution d'un jet.
Le nombre moyen d'émissions de dégroupage dans une catégorie donnée d'énergie relative (axe des y) et d'angle relatif (axe des x), après prise en compte des effets de détecteur. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
La collaboration ATLAS a publié de nouvelles mesures à l'aide de cette nouvelle méthodologie de dégroupage. Les physiciens ont pu examiner des moments précis de l'évolution d'un jet où un quark ou un gluon rayonne une fraction significative de son énergie. La masse du jet à ce stade se prête à des prédictions théoriques précises, comme le montre la figure 1.
Atteindre ce résultat a été un effort important, car les physiciens d'ATLAS devaient d'abord tenir compte des distorsions des données dues au processus de mesure et estimer l'incertitude sur ces corrections. Les nouvelles prédictions théoriques ont fourni un excellent modèle des données, permettant aux physiciens d'effectuer un test rigoureux de la force forte dans un régime qui n'avait pas été testé auparavant avec ce niveau de précision expérimentale et théorique.
Avion à réaction de Lund
Les physiciens peuvent également regarder au-delà d'une seule étape de l'histoire du clustering en étudiant un nouvel observable :l'avion à réaction de Lund. Son nom est dérivé des diagrammes du plan de Lund utilisés par la communauté QCD depuis plus de 30 ans, après leur introduction dans un article d'auteurs de l'Université de Lund (Suède). En 2018, les théoriciens ont appliqué l'approche de la sous-structure du jet pour la première fois, concevoir un avion à réaction de Lund pour caractériser l'énergie relative et l'angle de chaque étape de désagrégation (ou émission) au cours de l'évolution d'un jet. Par son étude, les physiciens peuvent étudier les propriétés statistiques de tous les cas où le quark ou le gluon qui a initié le jet a rayonné une fraction de son énergie. Différents effets physiques se localisent dans des régions spécifiques du plan, de sorte que si les prédictions ne décrivent pas les données, les physiciens peuvent identifier l'époque dans l'histoire d'un jet qui doit être étudiée.
ATLAS a effectué la première mesure de l'avion à réaction de Lund, qui est construit à partir des énergies et des angles de chaque étape de l'évolution d'un jet. ATLAS a étudié environ 30 millions de jets pour former l'avion illustré à la figure 2. Pour ce résultat, les physiciens ont utilisé des mesures de traces de particules, car ils offrent une excellente résolution angulaire pour reconstruire le rayonnement trouvé dans le noyau dense des jets.
La figure utilise la couleur pour décrire le nombre moyen d'émissions observées dans cette région. L'information angulaire du jet est décrite dans l'axe horizontal, et son énergie par l'axe vertical. Le nombre d'émissions est approximativement constant dans le coin inférieur gauche (grand angle, grande fraction énergétique) et il y a une grande suppression des émissions dans le coin supérieur droit (où l'angle est presque colinéaire, fraction énergétique faible). La première de ces observations est liée à la quasi-invariance d'échelle de la force forte, car les masses de la plupart des quarks sont minuscules par rapport aux énergies pertinentes au LHC. La suppression dans le coin supérieur droit est due à l'hadronisation, le processus par lequel les quarks forment des états liés.
Pour vraiment tester la force puissante, les physiciens ont approfondi ce résultat. La figure 3 montre une coupe horizontale à travers le plan, par rapport aux prévisions de pointe basées sur la méthode de la douche parton. Les douches Parton sont des simulations numériques qui décrivent le diagramme de rayonnement complet à l'intérieur des jets, y compris le nombre de particules dans la douche, leurs énergies, angles et types.
La tranche horizontale à travers la figure 2, y compris les comparaisons avec les prédictions QCD. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Les différentes prédictions colorées de la figure 3 modifient un aspect de la modélisation physique à la fois. Par exemple, les marqueurs oranges montrent une prédiction où la seule différence entre les marqueurs ouverts et fermés est le modèle utilisé pour décrire l'hadronisation. Il est passionnant de voir que les marqueurs oranges ouverts et fermés ne diffèrent que sur le côté droit de l'intrigue, c'est exactement là que les effets d'hadronisation devraient être localisés. Il en est de même pour les autres couleurs, par exemple, les marqueurs verts ouverts et fermés ne diffèrent que sur le côté gauche de la parcelle. Cela démontre l'utilité des données ATLAS pour en savoir plus sur les différentes facettes de la force forte et améliorer les modèles de douche de partons.
Un champ d'exploration en pleine expansion
Le détecteur ATLAS hautement granulaire est bien adapté pour mesurer la sous-structure du jet en détail, et il y a encore beaucoup à apprendre sur la force forte aux hautes énergies. Bien qu'extraire proprement des informations à partir des mesures de la sous-structure des jets ait toujours été un défi, les récents progrès théoriques ont permis une meilleure compréhension des premiers principes que jamais auparavant. Cela a ouvert de nouvelles portes pour tester la QCD avec les données ATLAS, qui ont été rendus publics, la communauté QCD pourra donc apprendre de ces ajouts au domaine croissant des mesures de précision des sous-structures de jets pour les années à venir.
