Die detaillierte Struktur der Hadron-Jets hilft dabei, neue Arten von Prozessen zu analysieren. • Igor Ivanov • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • CMS-Detektor, Suche nach neuer Physik

Detaillierte Struktur von Hadron Jets hilft, neue Arten von Prozessen zu analysieren.

Abb. 1. Hadron Zerfall des festen (auf der linken Seite) und schnelles Fliegen (auf der rechten Seitea) Top-Quark. Im ersten Fall kann es leicht durch drei Hadron-Jets erkannt werden, im zweiten Fall verschmelzen sie zu einem breiten Jet, in dem das Top-Quark ohne zusätzlichen Aufwand schwer zu identifizieren ist. Bild von gla.ac.uk

Am Large Hadron Collider wird unter anderem nach neuen hypothetischen Teilchen gesucht, die von verschiedenen Modellen der Neuen Physik vorhergesagt werden. Diese Teilchen können auf verschiedene Arten zerfallen: zum Beispiel in mehrere bekannte Teilchen, die wiederum in Hadronen zerfallen können. Die Suche nach neuen Teilchen in dieser Art von Prozess, wenn der Detektor nur eine große Anzahl von Hadronen und keine anderen "Haken" sieht, ist eine extrem schwierige Aufgabe. Tatsächlich werden bei Protonenkollisionen zahlreiche Hadronen ohne Zwischenpartikel (diese Prozesse werden als "Hintergrund" bezeichnet) selbst geboren. Es ist sehr schwierig, eine Nadel in der "Hadron-Heuhaufen" -Nadel zu sehen (die auch genau so aussieht!).

Natürlich, wenn wir die Energien und Impulse von Hadronen berücksichtigen, verbessert sich die Situation ein wenig. Wenn ein schweres Teilchen auf Hadronen aufbricht, fliegen diese Hadronen nicht in willkürliche Richtungen, sondern bilden mehr oder weniger enge Ströme – Hadronenstrahlen.Zum Beispiel fällt das Top-Quark, das schwerste der bekannten Teilchen, in den meisten Fällen in drei Hadron-Jets, die normalerweise in verschiedene Richtungen gerichtet sind (Abb. 1, links). Spezielle Berechnungsalgorithmen, die in der Lage sind, Jets in der Hadronmischung automatisch zu erkennen, wurden entwickelt und sind seit langem weit verbreitet. Dank ihnen können Ereignisse mit schweren Partikeln leicht bemerkt werden.

Aber es gibt eine Falle. Wenn Top-Quark ich selbst wenn sie mit fast Lichtgeschwindigkeit fliegen, dann werden die Hadronen, die aus ihrem Zerfall entstehen, auch alle in der gleichen Richtung zusammen fliegen. Natürlich gibt es hier getrennte Hadronen-Jets, aber nur wenn sie sich vorher deutlich voneinander unterschieden haben, verschmelzen sie jetzt. Nach einem solchen Ereignis wird der Algorithmus all diese Hadronen zu einem Strom verschmelzen und erkennt nicht das Top-Quark darin (Abb. 1, rechts).

Die Unfähigkeit traditioneller Algorithmen, schwere relativistische Teilchen in solchen Ereignissen zu erkennen, behindert stark die Extraktion neuer Informationen aus multihadronischen Prozessen. Glücklicherweise wurde vor einigen Jahren eine theoretische und dann rechnerische Arbeit begonnen, die es ermöglicht, dieses Problem teilweise zu überwinden.Die Idee selbst war ganz natürlich – nicht nur auf die Hadronjets zu schauen, sondern gezielt nach den charakteristischen Details in ihnen zu suchen Unterbau. Das ist leicht zu sagen, aber schwierig zu implementieren. Zuverlässige Algorithmen erschienen erst letztes Jahr, und experimentelle Gruppen haben diese Technik erst vor kurzem eingeführt.

Abb. 2 Einer der Prozesse, nach denen in den diskutierten Artikeln gesucht wurde. Ein hypothetisches schweres Teilchen wird in einer Kollision von Gluonen geboren. Xwas sich sofort in zwei teilt Z-Boson. Einer von ihnen zerfällt in ein Lepton-Anti-Lepton-Paar, der zweite in ein Quark-Antiquark-Paar, das sich dann in zwei Hadron-Jets verwandelt. Weil Z-Boson fliegt mit fast Lichtgeschwindigkeit, diese beiden Strahlen verschmelzen zu einem. Bild aus dem Artikel CMS Collaboration, 2014. Suche nach massiven Resonanzen, die in semitretische Zustände bei sqrt (s) = 8 TeV zerfallen

Kürzlich erschienen zwei Artikel der CMS-Kollaboration (arXiv: 1405.1994 und arXiv: 1405.3447) im Archiv von e-prints, die über Forschungen berichten, die mit dieser Technik durchgeführt wurden. Beide Artikel beschäftigen sich mit der Suche nach hypothetischen schweren Teilchen, zu deren Zerfallsprodukten W- oder Z-Bosonen gehören. Ein Beispiel für den gewünschten Prozess ist in Abb. 2. Diese Analyse wurde für sehr schwere hypothetische Teilchen X mit einer Masse von bis zu 3 TeV durchgeführt, was viel mehr ist als die Massen der W- oder Z-Bosonen (nur 0,1 TeV).Daher waren die Bosonen sehr relativistisch, was bedeutet, dass sich alle oben beschriebenen Schwierigkeiten auf ihre Hadronzerfälle beziehen.

Die Kollaboration nutzte die neuen Informationen der Substruktur von Hadron-Jets, um das gewünschte Signal besser vom Hintergrund zu trennen. Nach der Verarbeitung aller im Jahr 2012 gesammelten Daten hat sich herausgestellt, dass kein signifikanter Überschuss des Signals über den Hintergrund beobachtet wird. Wie in solchen Fällen üblich, erlaubte ein negatives Ergebnis neue Beschränkungen für die Massen dieser hypothetischen Teilchen (das heißt, selbst wenn solche Teilchen existieren, können ihre Massen nicht kleiner als eine bestimmte Grenze sein). Im Allgemeinen haben diese Arbeiten das Versprechen einer neuen Technik demonstriert: Die Verwendung der Substruktur von Hadron-Jets hilft wirklich, den Hintergrund in multi-hadronischen Prozessen zu bekämpfen.


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