bởi ATLAS Experiment
Hoạt ảnh của proton trong Máy va chạm Hadron Lớn. Tín dụng: CERN
Trong khi Máy va chạm Hadron Lớn (LHC) tại CERN nổi tiếng với việc đập các proton lại với nhau, nó thực sự là các hạt quark và gluon bên trong các proton - được gọi chung là các phần tử - đang thực sự tương tác với nhau. Do đó, để dự đoán tốc độ của một quá trình xảy ra trong LHC - chẳng hạn như việc tạo ra boson Higgs hoặc một hạt chưa được biết đến - các nhà vật lý phải hiểu cách các phần tử hoạt động như thế nào bên trong proton. Hành vi này được mô tả trong các hàm phân phối parton (PDF), mô tả phần nào động lượng của một proton được thực hiện bởi các quark và gluon cấu thành của nó.
Kiến thức về các tệp PDF này thường đến từ các máy va chạm lepton-proton, chẳng hạn như HERA tại DESY. Những cỗ máy này sử dụng các hạt giống điểm, chẳng hạn như electron, để thăm dò trực tiếp các phần tử bên trong proton. Nghiên cứu của họ cho thấy rằng, ngoài các quark hóa trị lên và xuống nổi tiếng nằm bên trong một proton, còn có một biển các cặp quark-phản quark trong proton. Biển này về mặt lý thuyết được tạo ra từ tất cả các loại quark, liên kết với nhau bằng các gluon. Giờ đây, các nghiên cứu về va chạm proton-proton của LHC đang cung cấp một cái nhìn chi tiết về các tệp PDF, đặc biệt là thành phần loại gluon và quark của proton.
Các nhà vật lý tại Thí nghiệm ATLAS của CERN vừa công bố một bài báo mới kết hợp dữ liệu LHC và HERA để xác định tệp PDF. Kết quả sử dụng dữ liệu ATLAS từ một số quy trình Mô hình Chuẩn khác nhau, bao gồm việc tạo ra các boson W và Z, các cặp hạt quark đỉnh và phản lực hadronic (các hạt phun chuẩn trực). Theo truyền thống, người ta cho rằng PDF quark lạ sẽ bị đè nén bởi một hệ số ~ 2 so với hệ số của các quark loại lên và xuống nhẹ hơn, vì khối lượng của nó lớn hơn. Bài báo mới xác nhận một kết quả ATLAS trước đó, phát hiện ra rằng quark lạ về cơ bản không bị triệt tiêu ở các phần nhỏ xung lượng proton và mở rộng kết quả này để cho thấy sự triệt tiêu phát huy tác dụng như thế nào ở các phần động lượng cao hơn (x> 0,05) như thể hiện trong Hình 1.
Hình 1: Tỷ lệ giữa hạt quark lạ PDF với giá trị trung bình của hạt quark nhẹ PDFs (Rs) như một hàm của phần động lượng của proton (x) mà mỗi hạt quark nhận được khi tham gia vào một vụ va chạm. Tín dụng: ATLAS Collaboration / CERN
Một số thí nghiệm và nhóm lý thuyết trên khắp thế giới đang làm việc để hiểu các tệp PDF. Mặc dù kết quả của chúng nói chung là thống nhất, nhưng có một số phương sai ở phần động lượng cao (x> 0,1) có thể ảnh hưởng đến các tìm kiếm năng lượng cao cho vật lý ngoài Mô hình Chuẩn. Hơn nữa, ngày càng rõ ràng rằng cần hiểu rõ hơn về các tệp PDF ở các phân số động lượng tầm trung (x ~ 0,01–0,1) nếu các nhà vật lý muốn tìm bằng chứng cho các quá trình vật lý mới trong sai lệch so với Mô hình Chuẩn của các đại lượng như khối lượng của boson W hoặc góc trộn yếu. Điều này sẽ yêu cầu kiến thức về PDF với độ chính xác ~ 1%.
Đây là lúc mà phân tích ATLAS đóng góp mạnh mẽ nhất, vì độ chính xác của các tệp PDF phụ thuộc vào kiến thức chi tiết về độ không đảm bảo hệ thống của dữ liệu đầu vào. ATLAS Collaboration có thể đánh giá mối tương quan của những điểm không chắc chắn như vậy giữa các bộ dữ liệu của họ và giải thích chúng — một khả năng có tác dụng lớn trong kết quả PDF mới của họ. Những kiến thức như vậy trước đây không có sẵn bên ngoài ATLAS, khiến kết quả này trở thành một "vademecum" mới cho các nhóm PDF toàn cầu. Nó chỉ ra rằng tác động của các mối tương quan như vậy có thể làm thay đổi các giá trị trung tâm của tệp PDF> 1% trong vùng xung lượng tầm trung và nhiều hơn thế ở vùng x cao, như thể hiện trong Hình 2.
Hình 2: Các tệp PDF của phản quark loại xuống (trái) và gluon (phải) dưới dạng hàm của một phần động lượng của proton (x). Kết quả chính của phân tích ATLAS (được gọi là ATLASpdf21), tính toán các mối tương quan về độ không đảm bảo hệ thống giữa các tập dữ liệu (màu đỏ), được so sánh với một phân tích không tính đến các mối tương quan đó (màu xanh lam). Các bảng bên dưới cho thấy sự so sánh này về tỷ lệ. Tín dụng: ATLAS Collaboration / CERN
Hiểu biết mới của ATLAS về các tệp PDF sẽ được sử dụng để tìm kiếm các quy trình vật lý mới khi LHC khởi động lại vào cuối năm nay. Hơn nữa, các kỹ thuật được mô tả trong bài báo sẽ hỗ trợ các nhóm phân tích trong tương lai - cả tại ATLAS và hơn thế nữa - trong việc xác định các chức năng phân phối bộ phận chính xác hơn.