Νέα εικόνα για την εσωτερική δομή του πρωτονίου

[Giannis]

Ενώ ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο CERN είναι ευρέως γνωστός για τη συντριβή των πρωτονίων, στην πραγματικότητα είναι τα κουάρκ και τα γκλουόνια μέσα στα πρωτόνια -γνωστά συλλογικά ως παρτόνια- που πραγματικά αλληλεπιδρούν. Έτσι, για να προβλέψουν τον ρυθμό μιας διεργασίας που συμβαίνει στον LHC —όπως η παραγωγή ενός μποζονίου Higgs ή ενός άγνωστου ακόμη σωματιδίου— οι φυσικοί πρέπει να καταλάβουν πώς συμπεριφέρονται τα παρτόνια μέσα στο πρωτόνιο. Αυτή η συμπεριφορά περιγράφεται στις συναρτήσεις κατανομής παρτονίων (PDF), οι οποίες περιγράφουν το κλάσμα της ορμής ενός πρωτονίου που λαμβάνεται από τα κουάρκ και τα γκλουόνια που το αποτελούν.

Η γνώση αυτών των PDF προέρχεται παραδοσιακά από επιταχυντές λεπτονίων-πρωτονίων, όπως το HERA στο DESY. Αυτές οι μηχανές χρησιμοποιούν σημειακά σωματίδια, όπως ηλεκτρόνια, για να διερευνήσουν απευθείας τα παρτόνια μέσα στο πρωτόνιο. Η έρευνά τους αποκάλυψε ότι, εκτός από τα γνωστά κουάρκ άνω και κάτω σθένους που βρίσκονται μέσα σε ένα πρωτόνιο, υπάρχει επίσης μια θάλασσα από ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ στο πρωτόνιο. Αυτή η θάλασσα αποτελείται θεωρητικά από όλα τα είδη κουάρκ, συνδεδεμένα μεταξύ τους με γκλουόνια. Τώρα, οι μελέτες για τις συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου του LHC παρέχουν μια λεπτομερή ματιά στα PDF, ιδιαίτερα στο γκλουόνιο του πρωτονίου και στη σύνθεση τύπου κουάρκ.

Οι φυσικοί στο πείραμα ATLAS του CERN μόλις κυκλοφόρησαν ένα νέο έγγραφο που συνδυάζει δεδομένα LHC και HERA για τον προσδιορισμό των PDF. Το αποτέλεσμα χρησιμοποιεί δεδομένα ATLAS από πολλές διαφορετικές διεργασίες Καθιερωμένου Μοντέλου, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής μποζονίων W και Z, ζευγών κορυφαίων κουάρκ και αδρονικών πίδακες (συγκεντρωμένοι ψεκασμοί σωματιδίων). Παραδοσιακά πιστευόταν ότι το PDF με παράξενα κουάρκ θα καταστέλλονταν με έναν παράγοντα ~2 σε σύγκριση με αυτόν των ελαφρύτερων κουάρκ τύπου άνω και κάτω, λόγω της μεγαλύτερης μάζας του. Το νέο έγγραφο επιβεβαιώνει ένα προηγούμενο αποτέλεσμα ATLAS, το οποίο βρήκε ότι το παράξενο κουάρκ δεν καταστέλλεται ουσιαστικά σε μικρά κλάσματα ορμής πρωτονίων και επεκτείνει αυτό το αποτέλεσμα για να δείξει πώς η καταστολή ξεκινά σε κλάσματα υψηλότερης ορμής (x > 0,05).

Αρκετά πειράματα και θεωρητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο εργάζονται για την κατανόηση των PDF. Ενώ τα αποτελέσματά τους συμφωνούν γενικά, υπήρξε κάποια διακύμανση στο κλάσμα της υψηλής ορμής (x > 0,1) που θα μπορούσε να επηρεάσει τις αναζητήσεις υψηλής ενέργειας για τη φυσική πέρα ​​από το Καθιερωμένο μοντέλο. Επιπλέον, γίνεται ολοένα και πιο σαφές ότι απαιτείται καλύτερη κατανόηση των PDF σε κλάσματα ορμής μεσαίου εύρους (x ~ 0,01–0,1) εάν οι φυσικοί θέλουν να βρουν στοιχεία για διεργασίες νέας φυσικής στις αποκλίσεις από το Καθιερωμένο μοντέλο ποσοτήτων όπως π.χ. τη μάζα του μποζονίου W ή την ασθενή γωνία ανάμειξης. Αυτό θα απαιτούσε γνώση αρχείων PDF με ακρίβεια ~1%.

Εδώ η ανάλυση ATLAS συνεισφέρει πιο ισχυρά, καθώς η ακρίβεια των PDF εξαρτάται από τη λεπτομερή γνώση των συστηματικών αβεβαιοτήτων των δεδομένων εισόδου. Το ATLAS Collaboration είναι σε θέση να αξιολογήσει τις συσχετίσεις τέτοιων αβεβαιοτήτων μεταξύ των συνόλων δεδομένων τους και να τις λογοδοτήσει - μια ικανότητα που τίθεται σε μεγάλη επίδραση στο νέο αποτέλεσμα PDF. Αυτή η γνώση δεν ήταν προηγουμένως διαθέσιμη εκτός του ATLAS, καθιστώντας αυτό το αποτέλεσμα νέο "vademecum" για παγκόσμιες ομάδες PDF. Αποδεικνύεται ότι ο αντίκτυπος τέτοιων συσχετίσεων μπορεί να μετατοπίσει τις κεντρικές τιμές των PDF κατά > 1% στην περιοχή ορμής μεσαίου εύρους και πολύ περισσότερο από αυτό στην περιοχή υψηλού x.

Η νέα κατανόηση του ATLAS για τα PDF θα χρησιμοποιηθεί στην αναζήτηση νέων διαδικασιών φυσικής όταν ο LHC επανεκκινήσει αργότερα φέτος. Περαιτέρω, οι τεχνικές που περιγράφονται στο έγγραφο θα βοηθήσουν τις μελλοντικές ομάδες ανάλυσης - τόσο στο ATLAS όσο και πέρα ​​- στον προσδιορισμό πιο ακριβών συναρτήσεων κατανομής parton.