Uma marca registrada da força forte no Grande Colisor de Hádrons (LHC) é a produção dramática de jatos colimados de partículas quando quarks e glúons se espalham em altas energias. Os físicos de partículas têm estudado jatos por décadas para aprender sobre a estrutura da cromodinâmica quântica - ou QCD, a teoria da interação forte - em uma ampla gama de escalas de energia.

Devido à sua onipresença, nossa compreensão da formação de jato e QCD é um dos fatores que podem limitar a compreensão de outras facetas do Modelo Padrão no LHC. Ao estudar a rica subestrutura dos jatos, os físicos podem reunir novas pistas sobre o comportamento da força forte em altas energias. Uma melhor compreensão de sua formação também beneficia uma ampla gama de outros estudos, incluindo medições do quark top e do bóson de Higgs.

Subestrutura de jato de precisão

Dissecar a subestrutura do jato requer medições experimentais precisas e cálculos teóricos - duas áreas que avançaram significativamente durante a execução 2 do LHC. Do lado experimental, o experimento ATLAS desenvolveu um novo método preciso para reconstruir trilhas de partículas carregadas dentro de jatos. Isso tem sido tradicionalmente bastante desafiador, devido à alta densidade de partículas dentro do núcleo dos jatos.

Do lado da teoria, houve uma explosão de novas técnicas para representar a subestrutura do jato, incluindo novas previsões analíticas para quais experimentos devem observar em seus dados. Uma nova ideia teórica chave faz uso de algoritmos de agrupamento para estudar os constituintes de um jato. Os jatos são construídos tomando um conjunto de partículas (experimentalmente, trilhas e depósitos de energia do calorímetro) e agrupando-os sequencialmente em pares até que a área dos candidatos a jato atinja um tamanho fixo. As etapas no histórico de agrupamento de um jato também podem ser percorridas ao contrário, permitindo que partes do processo sejam associadas a várias etapas na evolução de um jato.

A ATLAS Collaboration lançou novas medições usando esta nova metodologia de descompressão. Os físicos foram capazes de examinar momentos específicos na evolução de um jato em que um quark ou glúon irradia uma fração significativa de sua energia. A massa do jato nesta fase é passível de previsões teóricas precisas, conforme mostrado na Figura 1.

Alcançar este resultado foi um esforço significativo, já que os físicos do ATLAS tiveram primeiro que levar em consideração as distorções nos dados devido ao processo de medição e estimar a incerteza sobre essas correções. As novas previsões teóricas forneceram um excelente modelo dos dados, permitindo aos físicos realizar um teste rigoroso da força forte em um regime que não havia sido testado anteriormente com este nível de precisão experimental e teórica.

Avião a jato Lund

Os físicos também podem olhar além de uma única etapa na história do agrupamento estudando um novo observável:o avião a jato de Lund. Seu nome é derivado dos diagramas de plano de Lund que foram usados ​​pela comunidade QCD por mais de 30 anos, após sua introdução em um artigo de autores da Lund University (Suécia). Em 2018, teóricos aplicaram a abordagem à subestrutura do jato pela primeira vez, projetar um avião a jato Lund para caracterizar a energia relativa e o ângulo de cada etapa de descompressão (ou emissão) durante a evolução de um jato. Por meio de seu estudo, os físicos podem investigar as propriedades estatísticas de todos os casos em que o quark ou glúon que iniciou o jato irradiou alguma fração de sua energia. Diferentes efeitos físicos ficam localizados em regiões específicas do plano, de modo que, se as previsões não descrevem os dados, os físicos podem identificar a época na história de um jato que precisa ser investigada.

ATLAS realizou a primeira medição do avião a jato de Lund, que é construído a partir das energias e ângulos de cada etapa da evolução de um jato. ATLAS estudou cerca de 30 milhões de jatos para formar o plano mostrado na Figura 2. Para este resultado, físicos usaram medições de trilhas de partículas, pois fornecem excelente resolução angular para reconstruir a radiação encontrada no núcleo denso dos jatos.

A figura usa cores para descrever o número médio de emissões observadas naquela região. A informação angular do jato é descrita no eixo horizontal, e sua energia pelo eixo vertical. O número de emissões é aproximadamente constante no canto esquerdo inferior (grande angular, grande fração de energia) e há uma grande supressão de emissões no canto superior direito (onde o ângulo é quase colinear, fração de baixa energia). A primeira dessas observações está relacionada à quase invariância de escala da força forte, já que as massas da maioria dos quarks são minúsculas em comparação com as energias relevantes no LHC. A supressão no canto superior direito é devido à hadronização, o processo pelo qual os quarks formam estados limitados.

Para realmente testar a força forte, os físicos se aprofundaram nesse resultado. A Figura 3 mostra uma fatia horizontal através do plano, em comparação com as previsões de última geração baseadas no método parton shower. Os chuveiros Parton são simulações numéricas que descrevem todo o padrão de radiação dentro dos jatos, incluindo o número de partículas no chuveiro, suas energias, ângulos e tipo.

As previsões de cores diferentes na Figura 3 mudam um aspecto da modelagem física por vez. Por exemplo, os marcadores laranja mostram uma previsão em que a única diferença entre os marcadores abertos e fechados é o modelo usado para descrever a hadronização. É emocionante ver que os marcadores laranja abertos e fechados diferem apenas no lado direito do gráfico, que é exatamente onde se espera que os efeitos da hadronização estejam localizados. O mesmo vale para as outras cores, por exemplo, os marcadores verdes abertos e fechados diferem apenas no lado esquerdo do gráfico. Isso demonstra a utilidade dos dados do ATLAS para aprender mais sobre as várias facetas da força forte e melhorar os modelos de chuveiros de parton.

Um campo crescente de exploração

O detector ATLAS altamente granular é adequado para medir a subestrutura do jato em grande detalhe, e ainda há muito a aprender sobre a força forte em altas energias. Embora extrair percepções de forma limpa das medições da subestrutura do jato tenha sido historicamente desafiador, avanços teóricos recentes resultaram em melhor compreensão dos primeiros princípios do que nunca. Isso abriu novas portas para colocar o QCD à prova com dados ATLAS, que foram disponibilizados publicamente, portanto, a comunidade QCD será capaz de aprender com essas adições ao campo crescente de medições de subestrutura de jato de precisão nos próximos anos.